Струйный высокочастотный емкостный разряд в технологических процессах

Шаехов, Марс Фаритович

Струйный высокочастотный емкостный разряд в технологических процессах тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Шаехов, Марс Фаритович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Казань МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Струйный высокочастотный емкостный разряд в технологических процессах»

Автореферат диссертации на тему "Струйный высокочастотный емкостный разряд в технологических процессах"

На правах рукописи

1 ' Л "

ШАЕХОВ Марс Фаритович

Струйный высокочастотный емкостный разряд в технологических процессах

Специальность 01.02.05. - механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 1998

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева и Всероссийском научно исследовательском и проектном институте медицинских инструментов.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Абдуллин И. Ш.

доктор физико-математических наук,

профессор

Гайсин Ф. М.

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук,

профессор Тимеркаев Б. А. Кандидат технических наук Ибрагимов Г. И. Ведущая организация: Акционерное общество "Вакма".

Защита состоится .ОС 1998 г. в ^ час на

заседании диссертационного совета КГТУ им. А.Н. Туполева Д 063.43.01 по

адресу:

420070 , Казань, Карла Маркса, 10, (в зале заседания ученого совета) с диссертацией можно ознакомится в библиотеке КГТУ им. А.Н. Туполева

Автореферат разослан ^ • _ 1998 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета * А.Г. Каримова

Общая характеристика работы

Актуальность темы. 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 связано нередко 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 техноло-гаи и режимам обработки.

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

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 осесимметричном поле; металлографических; комплекса физико-механических и физико-химических испытаний.

Научная новизна работы. 1. Установлены зависимости характеристик разряда (энергия ионов в слое пространственного заряда, плавающий потенциал разряда, скорость потока на срезе плазмотрона) от энергетических параметров ВЧЕ-установки низкого давления (мощность, напряжение на электроде) в диапазоне давлений от 1,3 Па до 1330 Па, при расходе плазмообразующего газа от 0 до 0,12 г/ сек.

2. Установлены зависимости уменьшения шероховатости, остаточного напряжения и увеличения микротвердости поверхности обработанных изделий от основных параметров струйного ВЧЕ-разряда в диапазоне от 1,3 Па до 1330 Па.

3. Показано, что степень модификации поверхности материалов в потоке плазмы ВЧЕ-разряда низкого давления определяют следующие параметры: а) длительность обработки; б) энергии рекомбинации и бомбардировки ионов; в) давление в разрядной камере, г) плотность тока на поверхность.

4. Установлено, что основной вклад в модификацию поверхности потоком плазмы ВЧЕ-разряда низкого давления вносится бомбардировкой ионами, обладающими энергией от 50 до 100 эВ. Обнаружены захороненные слои азота на глубине до 100 мкм, при этом скорость диффузии вглубь материала в 2 раза превышает скорость ионного газонасыщения.

5. Определено, что данный вид модификации позволяет проводить финишную обработку, очищать поверхностный слой, уменьшать шероховатость поверхности с ликвидацией примесных дефектов и одновременно активировать поверхность, удалять трещиноватые и рельефные слои, газонасыщение .

Практическая ценность работы:

1. На основе проведенных экспериментальных исследований характеристик потока плазмы ВЧЕ-разряда низкого давления установлен диапазон входных параметров ВЧЕ-установки, 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.

Реализация результатов работы. Полученные в диссертационной работе результаты использованы в медико-инструментальной промышленности, внедрены и переданы ВНИПИМИ в виде описаний ВЧЕ-установки низкого давления и технологических процессов обработки поверхности медицинских инструментов. ^

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.

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

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международных конференциях: Физика плазмы (Минск, 1992г.), 10th Symposium on Elementary Processes and Chemical Reactions in Low Temperature Plasma Stara Lesnd. Slovaku, 1994, 11 Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы (г. Новосибирск, 1989 г.), Всесоюзном семинаре по высокочастотном пробое газов (г. Тарту, 1989 г.), Городском научно - техническом семинаре (г. Рига, 1989г.), Научно - техническом семинаре " Современное оборудование и технология термической и химико - термической обработки металлических материалов" (г. Москва, 1989 г.), 6 Конференция по физике газового разряда (Казань, 1992 г.), Отраслевом научно - техническом семинаре " Технология нанесения износостойких покрытий на режущие части хирургических инструментов " (г. Казань, 1991 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано тезисы 3 докладов на международных конференциях, выпущен 1 препринт, имеются 4 зарегистрированных тематических отчета министерства здравоохранения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложения Работа изложена на 167 страницах, содержит 11 рисунков и 3 таблицы. Список использованной литературы составляет 152 наименования.

Содержание работы.

1- глава содержит аналитический обзор экспериментальных исследований потока плазмы ВЧЕ-разрядов низкого давления, особенностей его характеристик и практического применения. ,

Результаты, полученные на основе проведенного анализа особенностей потоков плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления, позволили сделать следующие выводы:

1. Существующие электрофизические методы позволяют изменять оггределенно( число характеристик поверхности, а ряд важных характеристик влияющих н; эксплуатационные свойства изделий, остаются без изменения; наряду с этил поток ВЧЕ-плазмы низкого давления позволяет обрабатывать поверхносп твердого тела и комплексно изменять эксплуатационные характеристики изде лий, что является определяющим фактором применимости этой формы газово го разряда.

2. Систематические исследования по установлению закономерностей процесс, модификации поверхности от параметров струи ВЧЕ-разряда низкого давле ния в настоящее время отсутствуют.

3. Несмотря на широкое применение потоков плазмы ВЧЕ-разрядов низкого дав ления в электронике, плазмохимии, металлургии, машиностроении, практиче ски отсутствуют технологические рекомендации по модификации поверхности конкретных изделий с учетом их конфигурации и материала (как металлов, та и диэлектриков) в струе ВЧЕ-разряда низкого давления.

Во 2-ой главе приведено описание экспериментальной вакуумной уста новки, применяемых диагностических методов, аппаратуры и оборудования.

Установка состоит из ВЧ - генератора, плазмотрона, вакуумной систем: систем газоснабжения и охлаждения (рис.1). ВЧЕ-разряд возбуждается в вод охлаждаемой цилиндрической разрядной камере из кварца внутренним диаме ром 24 мм и длиной 250 мм. Энергия электромагнитного поля вводится в рг ряд с помощью двух внешних, соосных с разрядной камерой, цилиндрическ электродов 035x50 мм2, на один из которых подается ВЧ - напряжение, а вт рой - заземлен. Межэлектродное расстояние может регулироваться в диапазо 10 - 60 мм. Плазмообразующий газ, проходя через пл&зменный сгусток, ион зируется. Образующаяся плазменная струя выдувается в вакуумную камеру, г и производится обработка поверхностей изделий. В вакуумной камере распо; гались карусельное устройство для закрепления обрабатываемых изделий и а агностическое оборудование.

Рис. 1. Схема ВЧЕ - плазменной установки низкого давления. 1- ВЧ - электроды, 2-охлаждаемая кварцевая разрядная камера, ^'-положительный разрядный столб, -/-плазменная струя, 5-базовая плита, 6-вакуумная камера, 7-карусельное устройство, ^-Обрабатываемое изделие, ^-диагностическое оборудование.

Исследования показали, что в созданной установке диапазон параметров стабильного зажигания и горения ВЧЕ-разряда составляет: потребляемая мощность о г 3 до 13 кВт, расход плазмообразующего газа (аргон или воздух)от О до 0,18 г/с, скорость откачки газа 5-70 л/с, ток анода генераторной лампы от 0.15 до 1,0 А, высокочастотное напряжение, подаваемое на электрод от 0,35 до 2,5 кВ.

Давление в рабочей камере измерялось вакуумметром с линейной разверткой шкалы с манометрическим преобразователем типа диодного механо-трона. Для калибровки вакуумметра применялся компрессионный манометр. Конструкция вакуумметра позволяет измерять давление в вакуумной камере вне зависимости от рода газа, в диапазоне от13 Па до 1,3 кПа.

Одной из важных характеристик ВЧЕ-установки в струйном режиме является скорость потока в плазмотроне и на выходе из сопла. Для измерения скорости использовались трубки Пито и и образный манометр. Все узлы конструкции выполнялись из кварцевого стекла, в качестве рабочей измерительной жидкости использовался дибутилфталат.

Для определения тепловых характеристик, в том числе светового излучения применялся калориметрический метод. Принцип действия, которого основан в одном случае на передаче тепловой энергии воде протекающей в датчике

с определенными геометрическими размерами, а во втором преобразованию светового излучения в электрический сигнал на термопаре.

Электрические параметры разряда контролировались одиночным электростатическим зондом. Особенностью зондовых измерений в потоке плазмы ВЧЕ-разряда низкого давления является то, что следует учитывать эффект выпрямления ВЧ напряжения на зонде, в результате чего определение концентрации электронов, температуры ионов и электронов по насыщению в точках перегиба вольт амперной характеристики, в ряде случаев некорректным. В связи с этим, в данной работе применен метод обработки данных по нулевому току утечки.

Для определения концентрации и энергии ионов использовался анализатор энергии ионов на основе цилиндрического конденсатора. В конструкторской основе, которого лежит, сепарация ионов в электростатическом поле в зависимости от энергии иона и независимости от скорости иона.

Одной из основных характеристик потока плазмы ВЧЕ-разряда низкого давления также является его термическая неравновесность. Для ее определения применен двух лучевой интерферометр с применением лазерного излучения. Для последующей расшифровки полученных результатов применялась голографическая технология. Применение этого метода позволило также измерить толщину слоя нескомпенсированного пространственного заряда и концентрацию электронов.

Для измерения параметра шероховатости поверхности использовали про-филометр, при измерении микротвердости поверхности применяли микротвердомер ПМТ-3. Спектроскопические исследования материала проводили, на спектрографе СПИ- 30.

В 3-ей главе описан комплекс проведенных экспериментальных исследований параметров установки и потока плазмы ВЧЕ-разряда низкого давления.

В результате исследований параметров ВЧЕ плазменной установки для струйной модификации поверхностей твердых тел, выявлено, что основными факторами, регламентирующими стабильность зажигания и горения разряда, являются потребляемая мощность и расход газа. Так, при потребляемой мощности Руст менее 3 кВт, разряд не зажигается. С повышением мощности до 3 кВт происходит стабилизация зажигания разряда, и разряд горит устойчиво, пока Руст не превысит значения 13 кВт. При этом происходит срыв генерации из-за рассогласования генератора и нагрузки. С уменьшением мощности до 13 кВт разряд снова зажигается и горит устойчиво. Указанный диапазон мощности соответствует режиму с продувом газа.

Изменение расхода газа в диапазоне от безрасходного режима до (г= 0,18 г/с практически не влияет на характер горения разряда. Когда расход газа превышает 0,18 г/с, происходит рассогласование нагрузки генератора и разряд переходит в неустойчивую форму, что визуально наблюдается как кратковременные пульсации зажигания-затухания разряда.

Оптимальным режимом работы установки является. Р>ст = 3-13 кВт, 0-0,18 г/с , чему соответствует ток анодной лампы генератора 0,15 - 1,0 А, ВЧ - напряжение на электродах 0,35-2,5 кВ, скорость откачки газа 5-70 л/с.

Экспериментально исследовались характеристики струйного ВЧЕ - разряда низкого давления, в диапазоне стабильного его зажигания и поддержания, зажигаемого на частоте 1=13,56 Мгц в описанной выше разрядной камере.

Установлено, что мощность, вкладываемая в разряд, составляет 1,5-3,2 кВт, при этом мощность излучения не превышает 6% от мощности разряда. С увеличением расхода газа от 0 до 0,12 г/с мощность излучения возрастает от 1% до 5 %, (плазмообразующий газ - аргон). Дальнейшее повышение расхода приводит к нестабильной работе плазмотрона, поэтому в более широком диапазоне давлений исследования не проводились.

Измерения скорости истечения плазменного потока из разрядной в вакуумную камеру показали, что с увеличением расхода газа она растет приблизительно по линейному закону. Скорость воздушной плазмы в среднем на 14,3% меньше скорости аргоновой плазмы. С увеличением мощности разряда скорость потока растет (рис. 2.). Аналогичная закономерность имеет место и при уменьшении давления в вакуумной камере.

Мощность разряда, кВт

Рис 2 Зависимость скорости потока плазмы на срезе разрядной камеры от мощности разряда

-О-С=0,1 г/с (воздух) —0—0=0,! г/с (аргон) -О-С=0,14 г/с (аргон)

Проведены исследования характеристик плазмы в окрестности обрабатываемого твердого тела. Измерения потенциала плазмы одиночным электростатическим зондом показали, что при удалении зонда от поверхности твердого тела положительный потенциал плазменного столба увеличивается примерно по экспоненциальному закону до 10 мм, а затем потенциал не изменяется. Точность измерения определяется соотношением микрометрических резбь на сильфонном устройстве перемещения: равное 1 поворот гайки равен 30 мкм. Установлено, что с увеличением давления в рабочей камере положительный

потенциал плазменного столба монотонно растет, при увеличении расхода газа потенциал плазменного столба уменьшается (рис. 3).

1500 1250

М- 1000 S

§ 750

О»

¡2 500 250 О

40 50 60 70 80 90 100

Давление, Па

Рис. 3 Зависимость потенциала плазмы от давления в рабочей камере

-O-Vf.V (Q = 0,033 r/c) —О— Vf,V (Q = 0,00445 r/c) —¿*-Vf.V (Q=0.051i/cl

-O-Vf.V (Q-0,058 r/c) —X—Vf.V (Q^0,076 r/c)

Исследования характеристик потока плазмы в присутствии твердого тела двухлучевым голографическим методом показали, что на расстоянии до 5 мм от обрабатываемого тела наблюдается характерный излом интерференционных полос. Расшифровки голограмм позволила определить концентрацию электронов. Сопоставление полученных данных с результатами зондовых измерений позволяют сделать вывод о том, что в окрестности обрабатываемого твердого тела образуется пространственный слой нескомпенсированного положительного заряда толщиной 0,3 -0,5 мм, в зависимости от режима поддержания ВЧЕ-разряда низкого давления. Таким образом, обрабатываемое изделие представляет собой дополнительный электрод, и, следовательно, струя ВЧЕ разряда низкого давления является не потоком свободно рекомбинирующей плазмы, а представляет собой разряд, горящий между верхним электродом и обрабатываемым телом.

С целью определения основных параметров, ответственных за модификацию поверхности твердых тел, проведены исследования энергетических характеристик ионов анализатором энергии ионов. Установлено, что при повышении мощности, вкладываемой в ВЧЕ-разряд, средняя энергия ионов возрастает от 50 эВ при W=0,5 кВт до 100 эВ при W= 3,5 кВт (плазмообразующий газ -аргон, G =0,08 г/с, давление в вакуумной камере р = 130 Г1а). С повышением давления энергия ионов также возрастает (рис.4). Таким образом, экспериментальные данные показывают, что ионы, проходя через пространственный слог нескомпенсированного положительного заряда, возникающий в окрестности обрабатываемого тела, приобретают энергию 50 - ЮОэВ.

Рис 4 Зависимость энергии ионов от мощности потребления при расходе 0.09 г/'с —йг-Р=120Па -О—Р = 80 На

Анализ элементарных процессов взаимодействия потока плазмы ВЧЕ-разряда низкого давления с поверхностью твердых тел (ионная бомбардировка, рекомбинация ионов, термическое воздействие, воздействие электромагнитного поля, газового потока, метастабльных частиц), и оценка энергетического уровня каждого из них показывает, что наибольший вклад вносят два процесса: передача энергии, приобретенной ионами в слое пространственного заряда = 50-100 эВ) и рекомбинация ионов (\Vpex = 15,8 эВ в аргоне и 14 эВ в воздухе). Суммарный энергетический вклад остальных элементарных процессов не превышает 1 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 (15,8 эВ для аргона).

Исследования измеренных величин энергии ионов при модификации поверхностей образцов, изготовленных из нержавеющей стали, стекла, меди и алюминия показали, что в струйном ВЧЕ-разряде низкого давления энергия взаимодействия ионов с поверхностью практически не зависит ни от материала, ни от размеров обрабатываемого изделия.

В результате сопоставления данных, полученных с помощью одиночного электростатического зонда, с результатами исследования распределения энергии ионов в слое пространственного заряда найдена корреляционная зависимость между энергией ионов, бомбардирующих поверхность, и величиной плавающего потенциала изделия. Это позволило использовать электростатический зонд как устройство для определения технологических параметров ВЧЕ-разряда при обработке твердого тела.

С целью разработки основ инженерной методики расчета параметров процесса модификации поверхности изделий в плазме ВЧЕ-разряда низкого давления, проведено теоретическое исследование характеристик положитель-

ного столба этой формы газового разряда методом математического моделирования. Задача расчета характеристик положительного столба ВЧЕ- разряда низкого давления в одномерном приближении, при условии, что расстояние между электродами много больше внутреннего диаметра разрядной камеры, и общепринятых предположениях о процессах, протекающих в разряде, описываются системой уравнений:

6Ег _ _ <2Н9

1.1 тс1г

тЭ

1 а

Че'

¿Те <3г

ск =цо а

<Дпе с!п

+ у;пе =0,

——1 —— к5\'гпРТр = -аЕ2 <к ) 2 с е е

(1)

(2) о;

(4;

(обозначения - общепринятые в теории ВЧ - разрядов низкого давления).

Уравнения (1)и(2), используя закон сохранения энергии электромагнитного поля, преобразуются к системе дифференциального уравнения второго порядка

г с!г

а2 +

(Ео£С0?]

<к

(г2Н2)

1А

гёг

<ЗЕ (1г

- —еыЕ2 = ,

где с- скорость света Е2 = |ЕФ|2, Н2 = |Н?|2. Граничные условия для преобразован ной системы имеют вид:

приг-О^а^-О; ^ = 0;Н2=0;^ ёг с!г с!г

= 0; —§- = 0, с!г

(7)

при г = 11 пе =0; Е^=Е|; Те =Т^Ф . (8)

Высокочастотная проводимость и относительная диэлектрическая прово димость вычисляются по формуле:

пее ус

Г2 2У

те\Ус+Сй /

с = 1 —-

пРе со

Е0те

Коэффициенты уравнений Ба, у;, Хе> \'е зависят от средней электронно] температуры Те.

Система краевых задач (3) - (8) решалась методом конечных разностей. Проведено исследование зависимостей этих характеристик от давления, радиуса разрядной камеры, частоты и амплитуды приложенного напряжения. Получено, что Распределение напряженности магнитного поля имеет максимум при г = (0,75 - 0,85)11. Распределение концентрации электронов по радиусу разрядной камеры имеет колоколообразную форму, что указывает на диффузный характер разряда в исследуемом диапазоне параметров разряда. Распределение температуры электронов по радиусу разрядной камеры также имеет колоколо-образный вид с максимумом на оси разряда. Результаты расчетов удовлетворительно согласуются с данными экспериментальных исследований, как по интегральным параметрам (джоулева дисперсия энергии электромагнитного поля в разряде), так и по пространственному распределению соответствующих характеристик разряда.

В 4-ой главе. Рассмотрены результаты исследований взаимодействия струи ВЧЕ-разряда с поверхностями твердых тел. Установлены зависимости изменения свойств поверхностного слоя образцов от основных параметров разряда. Полученные экспериментальные результаты по модификации поверхностей твердых тел потоком плазмы ВЧЕ-разряда приведены в диссертации в виде графиков и фотографий.

Обработка образцов производилось в плазменной струе ВЧЕ-разряда низкого давления. Часть изделий обрабатывалась в области электродов и непосредственно в разрядном шнуре. В исследованиях использовался аргон, воздух, и азот. Режим обработки регулировался путем изменения мощности разряда с 1,5 до 3,2 кВт, расхода газа от 0 до 0,18 г/с, давления в камере от 1,3 до 133 Па. При использовании кольцевых электродов 0 35 X 50 мм и варьировании расстояние между электродами от 10 до 60 мм. Образцами служили пластины (20X20X2 мм3) из сталей 08Х18Т1, 12Х18Н9Т, 30X13, Зи90, латунь Л63, полиэтилена высокого давления марки 15813-020. Температура образцов в процессе обработки струйным ВЧЕ-разрядом низкого давления определялась хромель-алюмелевой термопарой, с применением полосового фильтра и охлаждением на свободных концах.

У металлических образцов в процессе обработки измерялась микротвердость Н на косых шлифах с помощью прибора ПМТ-3. Шероховатость поверхности оценивалась по среднеарифметическому отклонению профиля Яа. Шероховатость Яа пластин определялась профилометром (модель 283). Микроструктура поверхностных слоев изучалась и фотографировалась микроскопом ММР-2.

Базовые режимы обработки выбирались на основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований характеристик потока плазмы ВЧЕ-разряда низкого давления. Верхний предел режима обработки определялся с учетом температуры, при которой начинал преобладать процесс термообработки. Падающий тепловой поток на изделие при мощности разряда

1,5 - 3,5 кВт изменялся от 0,5 до 150 Вт/ см .

Исследовалось влияние потока плазмы ВЧЕ-разряда низкого давления не такие параметры поверхности твердого тела: как снижение шероховатости, снятие заусенцев, очистка и активация поверхности перед гальваническим покрытием, газонасыщение. Выбирались оптимальные режимы для проведения обработки поверхности твердого тела.

Для исследования выбирались изделия медико-инструментальной промышленности: зеркала гинекологические, иглы микро - хирургические, спирали к контрацептивам, канюли для игл, ручки скальпелей со съемными лезвиями.

Разработаны следующие технологические процессы модификации поверхности твердого тела:

1. Полировка гинекологических зеркал.

В результате плазменной полировки удаляются острые микро выступы Исследования поверхности образцов из сплава 30X13 после плазменной обработки показали, что параметр шероховатости Яа снизился с 0,32 мкм дс 0,2 мкм.

2. Снятие микрозаусенцев с микрохирургических игл.

Разработан процесс снятия заусенцев с внутренней поверхности отверстш для хирургической иглы из материала ЗИ - 90, образующиеся после лазерное прошивки (диаметр отверстия 0,004 - 0,006 мм, а глубина 0,5 мм). Это позволяет снизить вероятность обрыва нитей хирургических во время хода операции и; - за их перетирания в ушке иглы. (Получить такой эффект другими способам! модификации в промышленных масштабах достигнуть невозможно.)

Также проводилась предварительная заточка кончиков микрохирургических игл ( диаметр иглы 0,1 - 0,2 мм) путем обработки в потоке ВЧЕ-разряд; низкого давления. С применением ВЧЕ-плазменной модификации удалоа уменьшить производственный брак в 1,5 раза и увеличить срок службы в 2 раза

3. Очистка поверхности изделий перед нанесением гальванического по крытия.

Разработаны процессы очистки и активации поверхности латунных кашол! для игл и высокомолекулярного соединения (полиэтилена). В результате очистки и активации поверхности изделий понизился производственный брак в 1,5-1 раза, улучшилась адгезия покрытия с основой в 2 раза.

4. Газонасыщение металлов с использованием потока плазмы ВЧЕ-разряда Разработан технологический процесс азотирования коррозионно-стойких ста лей (ручки скальпелей со съемными лезвиями из сталей 08Х18Т1 \ 12Х18Н10Т) с целью повышения микро твердости и износостойкости. В ре зультате износостойкость рабочих элементов возрастает в 2 раза.

Учитывая, что медицинские инструменты работают в живом организме важным показателем является отсутствие токсикологического воздействия Проведенными токсикологическими исследованиями установлено, что обра ботка мединструментов в потоке ВЧЕ-разряда низкого давления является пол ностью нейтральной в отношении показателей токсичности, то есть, не ухуд шают их.

Заключение

Выполненный обзор литературы позволил установить основные проблемы которые надо решить для внедрения технологических процессов с использованием ВЧЕ-разрядов низкого давления в машиностроении.

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 £=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, концентрация ионов 10!7...Ю18 м'3.

Впервые двумя независимыми методами: зондовым и двух лучевым голо-графическим, 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 рекомбинирую-щей плазмы, а представляет собой ВЧЕ- разряд, горящий между верхним электродом и обрабатываемым телом.

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).

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.

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 ВЧ1 плазмотронов низкого давления.

7. На основе полученных экспериментальных зависимостей взаимодейств! потока плазмы ВЧЕ-разряда низкого давления с металлами и их сплавами диэлектриками установлены, что данный вид модификации поверхности тве] дого тела наиболее целесообразно использовать для плазменной полировки одновременным удалением дефектных слоев, очистки поверхности издели перед нанесением покрытия с одновременным удалением трещиноватых рельефных слоев, снятия микрозаусенцев, газонысыщения. При этом шерох< ватость поверхности уменьшается на 3 класса и может достигать 0,2 мкм; адп зионная прочность покрытий полученных после плазменной очистки в 2 р; превышает адгезионную прочность получаемую по традиционной технологи! процесс газонасыщения ускоряется в сравнении с ионным в 5 раз. В результат комплексного воздействия плазмы на поверхностные свойства срок служб изделий при этом увеличивается в более чем в 1,5 раза.

8. Разработанные технологические процессы позволяют комплексно изменят характеристики поверхностного слоя без нарушения форм и геометрически размеров и ухудшения других характеристик изделий.

Публикации по теме диссертации

1. Abdvllin I.S., Amirov J .J., Bragin V.E., Bykanov A.N., Caritonov A.L., Untila G.G., Shaechov M.F., Modifying of is Plates surface in RF discharge at low pressure./ 10Л Symposium on Elementary Processes and Chemical React ions in Low Temperature Plasma Stara Lesnd. Slovaku, 1994.

2. Абдуллин И.Ш., Амиров И.И., Братин B.E., Быканов А Н., Харитонов А.Л., Унтила Г.Г., Шаехов М.Ф. размеров Модификация поверхности кремневых пластин в ВЧ разряде при пониженном давлении./ Конференция " Физика и техника плазмы", Минск, 1994г.

3. Желтухин B.C., Габдрахманов А.Х., Кульмамедов P.P., Маковский В.Ф., Шаехов М.Ф. Применение ВЧ - плазмы низкого давления для нанесения тонких защитных покрытий./ Конференция " Физика и техника плазмы", Минск, 1994г.

4. М.Ф. Шаехов, Ф.М. Гайсин. Характеристики потока ВЧЕ плазмы низкого давления при обработке поверхности твердого тела. Казань, 1998. 30 с. (Препринт / Казан, гос. техн. ун-т; 98ПЗ ).

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Шаехов, Марс Фаритович, Казань

Казанский государственный технический университет

им. А.Н. Туполева Всероссийский научно - исследовательский и проектный институт медицинских инструментов

Струйный высокочастотный емкостный разряд в технологических процессах

01.02.05. - механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

ШАЕХОВ Марс Фаритович

Научные руководители-доктор технических наук, профессор Абдуллин И.Ш.

доктор физико- математических наук, профессор Гайсин Ф.М.

Казань 1998 год

Содержание Принятые обозначения. Введение.

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. 54

Глава 2. Экспериментальная ВЧЕ установка с продувом газа. 56

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 94

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. 100

4.2. Очистка высокочастотным разрядом низкого давления. 108

4.3. Газонасыщение с помощью ВЧЕ-разряда низкого давления. 112 Основные выводы. 121 Использованная литература. 124 Приложение. 142

Принятые обозначения Н<р,Е2 - азимутальные и аксиальные компоненты векторов напряженностей магнитного и электрического полей

- 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

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.

Анализ исследований по модификации поверхности твердых тел показывает, что для финишной полировки, формирования за-

данных 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.

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.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

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

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.

На защиту выносятся следующие научные положения и выводы:

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

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

1.1. Анализ электрофизических методов модификации поверхности.

Из многообразных существующих методов упрочняющей обработки в последние годы все шире применяются электрофизические, как наиболее эффективные и экологически чистые, а в некоторых случаях и единственно возможные способы обработки поверхности деталей.

К электрофизическим методам обработки материалов [1-4] относятся методы изменения свойств обрабатываемых поверхностей деталей, происходящие под воздействием электромагнитного поля, электронного или оптического излучения, плазменной струи, а также высокоэнергетических импульсов и магнито- структурированного эффекта. Отличительная особенность этих методов обработки - использование электрической энергии непосредственно для технических целей без промежуточного преобразования ее в другие виды энергии. При этом использование электрической энергии осуществляется непосредственно в рабочей зоне.

Основные технологические особенности, отличающие данные процессы от других, следующие [1,3-6]:

возможность осуществлять обработку как проводящих, так и не проводящих ток материалов с любыми физико- механическими свойствами;

большие технологические возможности изменения свойств обрабатываемых поверхностей заготовок;

функции инструмента выполняет сформированный соответствующим образом поток частиц;

значительно меньшая зависимость основных технологических показателей процессов от физико - механических свойств обрабатываемого материала;

возможность механизации и автоматизации основных технологических и вспомогательных переходов вплоть до применения робо-тотехнических систем и комплексов автоматизации процессов.

Из недостатков, присущих электрофизическим процессам, следует отнести:

повышенную энергоемкость;

относительную громоздкость используемого технологического оборудования;

применение в большинстве случаев специальных источников питания электрическим током;

необходимость размещения технологического оборудования в отдельных помещениях, связанных зачастую с повышенной пожарной опасностью и выполнением специфических требований безопасности труда.

Рассмотрим наиболее распространенные процессы модификации изделий электрофизическими методами.

Наплавка [7-11] представляет собой одну из разновидностей сварки и служит для нанесения слоя металла заданного состава и известных свойств на поверхность изделия. Нанесенный слой металла прочно связывается с основным, образуя надежное соединение. В настоящее время наплавка широко используется как в России[7,9-

12], так и за рубежом [8] в различных отраслях техники, таких как, например, атомная промышленность, ракетостроение, судостроение, двигателестроение, производство медицинских инструментов и не только при изготовлении новых изделий, но и для восстановлении изношенных [11,13].

Наплавка осуществляется многими видами и способами. В соответствии с [10] классификация видов и способов сварки, в основу которой положены физические, технические и технологические признаки, применима и для наплавки. Наибольшее распространение в практике нашли дуговой, электрошлаковый, плазменно-лучевой, световой, индукционный, газовый, и контактные способы.

Анализ результатов исследований, приведенных в литературе [7-13], показывает, что наплавка позволяет, путем подбора металла, увеличить износостойкость деталей при многих видах износа. Однако, при этом в поверхностном слое наблюдается изменения химического состава и структуры, возникают растягивающие напряжения и ухудшается шероховатость поверхности, После наплавки детали, как правило, подвергаются дополнительной механической обработке абразивным инструментом, а в некоторых случаях и термообработке.

В сравнении с другими способами обработки металла наплавке присущи следующие преимущества [7-11]: возможность нанесения покрытия большой толщины; высокая производительность процессов, достигающая в некоторых случаях 15...25 кг/ч; отсутствие ограничений по размерам наплавляемых изделий; простота исполнения операций и возможность ее механизации и автоматизации; широкий выбор состава наплавляемого материала; возможно сочетание с другими способами поверхностной обработки, например, закалкой и азотированием.

Анализ результатов исследований, приведенных в литературе [7-13], показывает, что наплавка позволяет увеличить износостойкость деталей путем подбора металла при многих видах износа. Однако, при этом в поверхностном слое наблюдается изменения химического состава и структуры, возникают растягивающие напряжения и ухудшается шероховатость поверхности. После наплавки детали, как правило, подвергаются дополнительной механической обработке абразивным инструментом, а в некоторых случаях и термообработке.

В сравнении с другими способами обработки металла наплавке присущи следующие преимущества [7-11]: возможность нанесения покрытия большой толщины; высокая производительность процессов, достигающая в некоторых случаях 15...25 кг/ч; отсутствие ограничений по размерам наплавляемых изделий; простота исполнения операций и возможность ее механизации и автоматизации; широкий выбор состава наплавляемого материала; возможность сочетания с другими способами поверхностной обработки, например, закалкой и азотированием.

Из недостатков данного метода обработки можно отметить такие, как деформацию изделий, вызываемую вы�