Струйный высокочастотный емкостный разряд в технологических процессах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат технических наук Шаехов, Марс Фаритович

• Шаехов, Марс Фаритович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шаехов, Марс Фаритович

Глава 1. Обзор исследований характеристик потока ВЧ-плазмы 11 пониженного давления, её применения в процессах модификации поверхности.

1.1. Анализ электрофизических методов модификации 11 поверхности.

1.2. Экспериментальные и теоретические исследования ВЧЕ- 24 разряда пониженного давления.

1.3. Высокочастотная низкотемпературная плазма низкого 42 давления в технологических процессах модификации поверхности

1.4. Постановка задачи.

Глава 2. Экспериментальная ВЧЕ установка с продувом газа.

2.1. Функциональная схема экспериментальной ВЧЕ- 56 плазменной установки.

2.2. Измерительная аппаратура. Методика проведения 60 экспериментов и оценка точности измерения.

Глава 3. Экспериментальные и теоретические исследования 73 параметров струйного ВЧЕ- разряда низкого давления

3.1. Энергетические параметры струйной ВЧЕ - установки с 73 ВЧЕ- разрядом низкого давления

3.2. Зависимости плавающего потенциала плазмы и 76 концентрации электронов в ВЧЕ- разряде низкого давления от характеристик струйной ВЧЕ - установки

3.3. Численный расчет системы уравнений, описывающей ВЧЕ- 84 разряд низкого давления.

3.4. Анализ полученного решения и оценка процессов ответственных за модификацию поверхности.

Глава 4. Обработка поверхности изделий с помощью струйного 100 ВЧЕ-разряда с целью повышения их функциональных свойств.

4.1. Полировка высокочастотным разрядом низкого давления.

4.2. Очистка высокочастотным разрядом низкого давления.

4.3. Газонасыщение с помощью ВЧЕ-разряда низкого давления. 112 Основные выводы. 121 Использованная литература. 124 Приложение.

Принятые обозначения Н

- коэффициент амбиполярной диффузии и частота ионизации щ -концентрация электронов о,|Ио -электрическая и магнитная постоянная гД - радиальная координата и время

Те.-электронная температура

А,е - коэффициент электронной температуры

Бе - коэффициент электронной термодиффузии к - постоянная Больцмана

Я - универсальная газовая постоянная

8= 2ш€/ша - доля энергии передаваемая электронами атомам и ионам при упругом столкновении ус - частота упругих столкновений электронов с атомами и ионами

Е - среднее за период значение напряженности электрического поля

Е1 - энергия ионизации, с- проводимость плазмы

8- относительная диэлектрическая проницаемость е, Ше - заряд и масса электрона ш- молекулярная масса газа со =2п£ - круговая частота £ - частота, задаваемая генератором. Ё(г) и Й(г) - комплексные амплитуды, р - давление газа рк - давление газа в вакуумной камере ВЧЕ- высокочастотная емкостная Руст - мощность установки %- расход газа

Яа- параметр шероховатости поверхности

- энергия иона Л - плотность ионного тока на поверхность и - постоянный потенциал плазменного столба иэ- напряжение на электроде

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Струйный высокочастотный емкостный разряд в технологических процессах»

Перед медико-инструментальной промышленностью стоит проблема - повышение долговечности, качества и надежности изделий. Повысить качество изделий возможно несколькими путями, основными из которых являются: конструктивные изменения, создание новых материалов, придание применяемым материалам заданных свойств.

Конструктивные изменения и использование новых материалов нередко связано с существенным увеличением стоимости изделий. Материалы, используемые в настоящее время в медицинском инструментарии, имеют ограниченные возможности в улучшении эксплуатационных характеристик изделий.

Наиболее перспективный путь улучшения эксплуатационных характеристик изделий, подвергающихся воздействию различных агрессивных сред - направленное изменение свойств поверхностных слоев, т.е. модификация поверхности. Как правило, срок службы изделий определяется не одним, а совокупностью свойств поверхностного слоя.

Оптимальное решение проблемы повышения качества, надежности и долговечности изделий возможно при повышении одновременно основных параметров поверхности изделий. Известные традиционные методы модификации поверхностных слоев: механические, термические, химические, химико-термические, электрохимические, - не позволяют комплексно улучшить характеристики поверхности. Как правило, изменение в заданную сторону одного параметра сопровождается ухудшением других свойств поверхностного слоя.

Анализ исследований по модификации поверхности твердых тел показывает, что для финишной полировки, формирования заданных остаточных напряжений без изменения состава поверхностного слоя, наиболее целесообразно использовать частицы с энергией 50-100 эВ. Потоки ионов с такой энергией формируются в струйных ВЧЕ-разрядах низкого давления.

Однако в настоящее время отсутствуют систематические исследования взаимодействия потока плазмы ВЧЕ-разряда низкого давления с материалами, влияния характеристик ВЧЕ-установок низкого давления на процессы модификации поверхности, практические рекомендации по рациональной технологии и режимам обработки.

Работа направлена на решение актуальной проблемы медико-инструментальной промышленности - повышение качества, долговечности и надежности изделий медицинской техники.

В диссертации изложены результаты работы автора в период 1989 по 1997г. по исследованию, разработке и внедрению процессов и оборудования, позволяющих повысить качество и надежность изделий медицинского инструментария. Работа выполнялась во всероссийском научно - исследовательском и проектном институте медицинских инструментов и Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева в соответствии: с Федеральной программой Российской Федерации развития медицинской промышленности и улучшения обеспечения лекарственными средствами и медицинской техники на 1994-1996 годы.

Целью работы является создание процессов модификации поверхности медицинских инструментов, позволяющих комплексно изменять их свойства за счет обработки в потоке плазмы ВЧЕ-разряда низкого давления.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Создание опытно- промышленной установки высокочастотного емкостного разряда низкого давления для использования ее в технологических процессах струйной модификации поверхности изделий.

2. Экспериментальное исследование основных параметров струи высокочастотного емкостного разряда низкого давления, ответственных за модификацию поверхности твердых тел, в зависимости от параметров установки.

3. Установление закономерностей процессов обработки изделий в потоке плазмы ВЧЕ-разряда низкого давления.

4. Разработка технологических процессов плазменной модификации поверхности изделий и внедрение их в промышленность.

Методы исследований основаны на использовании новейших методик, наряду со стандартными, и сравнении их результатов, сопоставлении с известными теоретическими и экспериментальными данными других авторов.

Основные экспериментальные результаты сформированы на основе данных, полученных с помощью современных методов исследований: зондовых измерений; сепарации ионов в осесиммет-ричном поле; металлографических; комплекса физико-механических и физико-химических испытаний.

В первой главе проведен обзор литературы по состоянию исследований характеристики струй ВЧЕ - разряда; возможности применения ее на практике; а также приведена постановка задачи.

Во второй главе описана экспериментальная ВЧЕ- установка, диагностическое оборудование, с которым произведены все измерения, методика проведения экспериментов и оценка точности измерения.

В третьей главе приведены результаты определения параметров струйного ВЧЕ-разряда на экспериментальной установке и математический расчет параметров разряда.

В четвертой главе представлены материалы по воздействию потока разряда на поверхность изделия. А также приложение полученных результатов в технологические процессы по полировке, снятие микрозаусенцев, очистка поверхности перед гальваническим покрытием, газонасыщение поверхности.

Сделаны общие выводы по работе, отражающие основные предложения автора.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. На основе проведенных экспериментальных исследований характеристик потока плазмы ВЧЕ-разряда низкого давления установлен диапазон входных параметров ВЧЕ-ус-тановки, для проведения модификации поверхности твердых тел и параметров плазменной обработки.

2. Разработанное диагностическое оборудование позволяет измерять параметры потока плазмы ВЧЕ-разряда низкого давления во всем рабочем диапазоне установки.

3. На базе проведенных экспериментальных исследований взаимодействия потока плазмы ВЧЕ-разряда с твердым телом разработаны процессы, позволяющие проводить очистку, полировку с одновременным удалением дефектных слоев, упрочнение мед инструментов. При этом срок службы изделий и износостойкость увеличивается в 1,5 - 2 раза.

На защиту выносятся следующие научные положения и выводы:

1. Результаты экспериментальных исследований потока плазмы высокочастотного емкостного разряда при низком давлении, позволяющие определить входные параметры необходимые для проектирования установок используемых для модификации поверхности твердого тела.

2. Результаты исследований объёмных процессов в стационарном потоке плазмы ВЧЕ-разряде низкого давления параметров процесса модификации: длительность плазменного воздействия, энергии рекомбинации и бомбардировки ионов, давление в разрядной камере. Установлено, что поток плазмы ВЧЕ-разряда на установке реализуется в двух модификациях различных по своим энергетическим характеристикам.

3. Результаты исследования взаимодействия потока плазмы ВЧЕ - разряда низкого давления с поверхностью твердых тел.

4. Основы технологии плазменной модификации рабочих поверхностей изделий при низком давлении: процессов очистки, полировки с одновременным удалением дефектных слоев и активации, упрочнения.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Шаехов, Марс Фаритович

Основные выводы

1. Установлено, что ВЧЕ-разряд низкого давления, зажигаемый в цилиндрической разрядной камере 0 20x250 мм с цилиндрическими внешними электродами 035x50 мм, при межэлектродном расстоянии 10-60 мм, на частоте 1=13,56 МГц, стабильно зажигается при токе анодной лампы генератора 0,15 - 1,0 А, ВЧ - напряжении на электродах 0,35-2,5 кВ, расходе газа 0-0,18 г/с, скорости откачки газа 5-70 л/с, диапазоне потребляемой мощности 3-13 кВт. При этом мощность разряда составляет 1,5 - 3,2 кВт, положительный потенциал плазменного столба - 0,5 . 2,0 кВ, скорость плазменного потока - 40 - 450 м/с, мощность излучения - 15. 130 Вт, давление в вакуумной камере 1,3 . 133 Па, кон

17 18 3 центрация ионов 10 .10 м" .

2. Впервые двумя независимыми методами: зондовым и двух лучевым голографическим, экспериментально установлено, что в окрестности обрабатываемого твердого тела образуется пространственный слой некомпенсированного положительного заряда толщиной 0,3 -0,5 мм, в зависимости от режима поддержания ВЧЕ-разряда низкого давления. Это подтверждает гипотезу о том, что обрабатываемое изделие представляет собой дополнительный электрод, струя ВЧЕ-разряда низкого давления является не потоком свободно рекомбинирующей плазмы, а представляет собой ВЧЕ- разряд, горящий между верхним электродом и обрабатываемым телом.

3. Экспериментально установлено, что в диапазоне стабильного зажигания и поддержания ВЧЕ-разряда низкого давления, ионы, проходя через пространственный слой некомпенсированного положительного заряда, возникающий в окрестности обрабатываемого тела, приобретают энергию 50 - 100 эВ. Таким образом, как показывает оценка вклада каждого из элементарных процессов взаимодействия потока неравновесной низкотемпературной плазмы с поверхностью твердого тела, основной вклад в модификацию поверхности твердого тела вносят передача энергии, приобретенной ионами в слое пространственного заряда (50 - 100 эВ) и рекомбинация ионов (14 - 15,8 эВ).

4. Исследования параметров процесса модификации с использованием анализатора энергии ионов на основе цилиндрического конденсатора, позволили впервые установить, что в струйном разряде энергия ионов практически не зависит от размеров обрабатываемого изделия и не зависит от материала поверхности. Найдена корреляционная зависимость между измеренной энергией ионов, бомбардирующих поверхность, и величиной плавающего потенциала изделия, что позволило использовать электростатический зонд как устройство для определения технологических параметров потока плазмы ВЧЕ-разряда при обработке твердого тела.

5. Установленные параметры потока плазмы ВЧЕ-разряда низкого давления в присутствии твердого тела позволили построить количественную математическую модель для расчета распределения электромагнитного поля, концентрации, температур электронов, что является основой для разработки инженерной методики определения конструктивных и электрических параметров ВЧЕ-плазмотронов низкого давления.

6. На основе полученных экспериментальных зависимостей взаимодействия потока плазмы ВЧЕ-разряда низкого давления с металлами и их сплавами и диэлектриками установлены, что данный вид модификации поверхности твердого тела наиболее целесообразно использовать для плазменной полировки с одновременным удалением дефектных слоев, очистки поверхности изделий перед нанесением покрытия с одновременным удалением трещиноватых и рельефных слоев, снятия микрозаусенцев, газонысыщения. При этом шероховатость поверхности уменьшается на 3 класса и может достигать 0,2 мкм; адгезионная прочность покрытий полученных после плазменной очистки в 2 раз превышает адгезионную прочность получаемую по традиционной технологии; процесс газонасыщения ускоряется в сравнении с ионным в 5 раз. В результате комплексного воздействия плазмы на поверхностные свойства срок службы изделий при этом увеличивается в более чем в 1,5 раза.

7. Разработанные технологические процессы позволяют комплексно изменять характеристики поверхностного слоя без нарушения форм и геометрических размеров и ухудшения других характеристик изделий.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шаехов, Марс Фаритович, 1998 год

1. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки / Амитан Г.Л., Байсупов И.А., Барон Ю.М. и др.; Под общ. ред. Волосатова В.А. JL: Машиностроение. Ленингр. отд.- ние, 1988. - 719 с.

2. Электрохимические и электрофизические методы обработки материалов: В 2 Т., т. 1. / Артамонов Б.А., Волков Ю.С., Дрожалова В.И. и др. М: Высш. шк., 1983. -247 с.

3. Электрохимические и электрофизические методы обработки материалов: В 2 Т., т. 2. / Артамонов Б.А., Волков Ю.С., Дрожалова В.И. и др. М: Высш. шк., 1983. -247 с.

4. Попилов Л .Я. Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов: Справ. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1982. - 399 с.

5. Абдуллин И.Ш. Исследование высокочастотного диффузного разряда в процессах обработки поверхностей /НПО «Мединстумент». Казань, 1988. - 75 е.: ил. Деп. В ВИНИТИ. 9.03.88. № 1571-В89.

6. Snoeys R. The role of nonconventional machining methods in me-chanical manufakturing // Bull. Seanc. Acad. r. Sei Outre Mer. Meded Zin. K. Acad. Oxerzeese Wet 1986. v. 3, Nr 3. P 503-505.

7. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / Под ред. Акад. Б.Е. Патона. М.: Машиностроение, 1974. - 442 с.

8. Хасуй А., Моригаки О., Наплавка и напыление / Пер. с яп.

9. B.Н. Попова; Под ред. B.C. Степина, Н.Г. Шеетеркина. М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.

10. Клименко Ю.В. Электроконтактная наплавка / Под ред. Э.С. Кракозова. М.: Металлургия, 1978. - 128 с.

11. Шехтер С.Я., Резницкий A.M. Наплавка металлов. М.: Машиностроение, 1982. - 71 с.

12. Сидоров А.И. Восстановление деталей машин напылением и наплавкой. М.: Машиностроение, 1987. -192 с.

13. Чирков В.К. Основные направления научных исследований при разработке новых инструментов для медицины // Материалы Всесоюз. науч.-техн. конф., Казань, 2-3 апреля 1985. М.: 1986. - С. 29 - 43.

14. Полевой С.Н., Евдокимов В.Д. Упрочнение металлов: Справ. -М.: Машиностроение, 1986.-320с.

15. Поздняк Г.Д. Обновляющее пламя или восстановление деталей машин // ВДНХ СССР. 1987. № 2. С. 16-18.

16. Thorpe М. Thermal Spraying Becomes a Design Tool // Machine Design. 1983. v. 55, Nr. 27. P. 69-77.

17. Денисенко Э.Т., Калинович Д.Ф., Кузнецова Л.И. Применение износостойких покрытий в машиностроении // Вестник машиностроения. 1988. № 2. С. 71-77.

18. Состояние рынка материалов и устройств для плазменного напыления // Коче рэа мэтару. 1985. № 88.1. C. 89-96.

19. Кудинов В.В. Плазменные покрытия. М.: Наука, 1977. -270 с.

20. Борисов Ю.С., Борисова А.Л. Плазменные порошковыепокрытия. Киев: Техника, 1986. - 223 с.

21. Satke W.,Kretzsmar Е. Schiehherstellung und Automatisierung vonSpritzprozessen // ZIS-Mitteilungen. 1987. v. 29, Nr 9. S. 954-958.

22. Андреев A.A., Гаврилко И.В., Купченко В.В. Исследование некоторых свойств конденсатов Ti-N2, Zr-N2, получаемых осаждением плазменных потоков в вакууме (способ КИБ) // Физика и химия обраб. Материалов. 1980. № 3. С. 64-67.

23. Григорьев А.И. Установка "Пуск-77-1" для нанесения ионно-вакуумных износостойких покрытий на обрабатывающий инструмент // Технол. Автомобилестроения. 1978. № 6. С. 42-48.

24. Семенов А.П., Григорьев А.И. Износостойкие покрытия, наносимые вакуумными ионно-плазменными методами // Технол. Машиностроения. 1978. № 7. С. 15-20.

25. Данилин Б.С. Нанесение тонких пленок в производстве интегральных схем // Электроника. М.: ВИНИТИ, 1984. С. 145-179. (Итоги науки и техники; Т.16).

26. Верещака A.C., Табаков В.П., Вахминцев Г.С. Твердосплавные инструменты с нитридотитановыми покрытиями // Станки и инструмент. 1976. № 6. С. 12-14.

27. Данилин Б.С., Сырчин B.K. Магнетронные распылительные системы. М.: Радио и связь, 1982. -72 с.

28. Плазменные и лазерные методы упрочения деталей машин (Н.В. Спиридонов, О.С. Кобяков, И.Л. Куприянов; Под ред. В.Н. Чачина. Минск: Высш.шк., 1988. - 155 с.

29. Промышленное применение лазеров / Под ред. Г.Кебнера; Пер. с англ. Л.Л. Смирнова; Под ред. И.В. Зуева. М.: Машиностроение, 1988. - 280 с.

30. Методы поверхностной лазерной обработки: Учеб. Пособие для вузов / А.Г. Григорьянц, А.Н. Сафонов; Под ред. А.Г. Григорьянца. -М.: Высш.шк., 1987. 191 с.

31. Упрочение деталей лучом лазера / Под общ. ред. B.C. Коваленко. Киев: Техника, 1981. - 131 с.

32. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник / М.Н. Рыкалин, A.A. Углов, И.В. Зуев, А.Н. Кокора. М.: Машиностроение, 1985. - 496 с.

33. Криштал М.А. Жуков A.A., Кокора А.Н. Структура и свойства сплавов, обработанных излучением лазера. -М.: Металлургия, 1973.- 158 с.

34. Верхотуров А.Д. Особенности эрозии переходных металлов при ЭИЛ // Электрон. Обраб. материалов. 1981. №6. С. 18-21.

35. Мицкевич М.К. Изучение динамики процесса переноса материала электродов в сильноточном импульсном разряде // Электрон, обраб. материалов. 1977. № 4. С. 18-19.

36. Гитлевич А.Е., Михайлов В.В., Парианский Н.Я.

37. Электроискровое легирование металлических поверхностей. Кишинев: Штиинца, 1985. - 195 с.

38. Лазаренко Б.Р., Лазаренко Н.И. Электроискровая обработка токопроводящих материалов. Киев: Изд-во АН УССР, 1958.-232 с.

39. Писаренко Г.С. Влияние остаточных напряжений на адгезионную и когезионную прочность слоев, полученных ЭИЛ стали // Электрон. Обраб. материалов.1975. № 1.С. 28-33.

40. Безыкориев А.И. Остаточные напряжения при ЭИЛ // Электрон, обраб. материалов. 1976. № 6. С. 20-22.

41. Мещеряков Н.Г., Чарушин Н.В. Интенсификация процесса ЭИЛ в среде легкоплавких поверхностно-активных металлов // Электрон, обраб. материалов. 1987. № 1. С 33-38.

42. Верхотуров А.Д., Егоров Ф.Ф. Влияние фазового состава на эффективность процесса ЭИЛ и морфологию покрытий // Порошковая металлургия. 1985. № 5. С 45.

43. Лазаренко Н.И. Электроискровое легирование металлических поверхностей. М.: Машиностроение,1976.-46 с.

44. Коваленко B.C., Верхотуров А.Д., Головко Л.Ф., Подгериева И.А. Лазерное и электроэрозионное упрочнение материалов. М.: Наука, 1986. - 276 с.

45. Верхотуров А.Д. Повышение износостойкости электроискровых покрытий // Порошковая металлургия. 1987. № 5. С. 94-98.

46. Полетай В.В. и др. Триботехнические характеристикиэлектроискровых покрытий на основе диборида титана // Порошковая металлургия. 1985. № 5. С. 86-88.

47. Снежков В.А. и др. Перспективы развития технологии и оборудования для электроискрового нанесения покрытий // Защит, покрытия на металлах. 1982, Вып. 16. С. 25-26.

48. Корниенко А.И., Чжен И. А., Цирник JI.H. Электроискровое серебрение контактных поверхностей // Электрон, обраб. материалов. 1977. № 4. С. 32-36.

49. Снежков В.А., Полоскин Ю.В., Лазаренко Н.И. Восстановление эксплуатационных свойств деталей при капитальном ремонте // Электрон, обраб. материалов. 1977. № 3. С. 83-86.

50. Горячев Ю.М. Влияние ЭИЛ поверхности молибдена и ниобия на термоэлектронную эмиссию // Электрон, обраб. материалов. 1987. № 4. С. 12.

51. Фрейдлин М.Г., Никаноров М.А., Гавзе A.C. и др. Применение электроискрового легирования для повышения работоспособности титановых сплавов в смазываемых узлах трения // Электрон, обраб. материалов. 1980. № 4. С. 88-91.

52. Хасуи А. Техника напыления. М.: Машиностроение, 1982.-215 с.

53. Зверев А.И., Шаривкер С.Ю., Астахов Е.А. Детонационное напыление покрытий. Л.: Судостроение, 1979.-232 с.

54. Шоршоров М.Х., Харламов Ю.А. Физико-химические основы детонационно-газового напыления покрытий. -М.: Наука, 1978.-224 с.

55. Чен Ф. Введение в физику плазмы / Пер. с англ. E.H. Кручины под ред. В.И. Шевченко. М.: Мир, 1987. - 398 е.; ил.

56. Абдуллин И.Ш. Индукционный диффузный разряд в процессах обработки поверхности твердых тел. Дисс. канд. Техн. наук. Казань, 1982.

57. Echer В., Riemann K.U. Zum Technologiepotential der Plasmaphysik // Experimentelle Technik der Physik. 1987. Bd 35, Nr. 2. S. 119-133.

58. Диденко A.H., Лигачев A.E., Куракин И. Б. Воздействие пучков заряженных частиц на поверхность металлов и сплавов. -М.: Энергоатомиздат, 1987. 183 с.

59. Юдин В.И. исследование гелий-неонового ОКГ с высокочастотным разрядом // Квантовая электроника, 1973. №3. с. 134-135.

60. Crocer A., Wills V.S. Carbon-dioxide laser with high power per unit length. / Electr. lett., v.5, №4,1969, p. 52-53

61. Мирзаев A.T., Мириноятов M., Степанов В.А. Молекулярные газовые лазеры с поперечным высокочастотным возбуждением: Обзоры по электронной технике. Сер. 4: Электровакуумные и газоразрядные приборы. М.: ЦНИИ «Электроника», 1979. Вып.6 (669) -48 с.

62. Термическая обработка в машиностроении: Справ./ Под ред. Ю.М. Лахтина, А.Г. Рахштадта. М.: Машиностроение,!980. - 783 с.