3.8 Установки іонного нагрівання
Принцип дії установок іонного нагрівання полягає у перетворенні електричної енергії в енергію сфокусованого потоку іонів, які призводять термічну дію і впливають на фізико-хімічні процеси у поверхневих шарах виробів.
Іонні промені можуть бути сформовані в вакуумних установках аналогічно електронним променям або отримані в режимі тліючого розряду в газонаповнених установках.
Для отримання в вакуумі іонних променів (пучків) треба мати, поперед всього, джерело іонів. Існує декілька типів джерел іонів (рис. 43): іонне джерело з осциляцією електронів в магнітному полі (а), високочастотний іонне джерело (б), “плазмотронне” іонне джерело (в) тощо. В пристрої (а) емітувальні з катода 1 електрони, які рухаються вздовж магнітного поля трубчастого аноду 2, попадають на антикатод 3, що знаходиться під тим же потенціалом, що і катод. Відбившись від нього, електрони знов потрапляють у простір всередині анода, повторюється процес руху до антикатода, відбивання від останнього і повторення процесу. Багатократні зіткнення електронів з атомами залишкового газу всередині анода викликають їх іонізацію. Позитивні іони витягуються полем через отвір в антикатоді у вигляді іонних пучків і направляються в робочий прилад 4.
а)
б)
в)
Рис. 43. Способи формування іонних пучків
У пристрої (б) в трубці 2 збуджується безелектродний розряд за допомогою високочастотного електромагнітного поля, і електрони витягуються з цієї трубки під дією електричного поля між катодом 4 і плазмою і виходять через отвір в катоді у вигляді пучка.
У пристрої (в) між катодом 1 і анодом 3 збуджується дуговий розряд. Між катодом і анодом існує третій електрод 2, що має форму сопла з дуже малим отвором в центрі. Між анодом і електродом-соплом створюється магнітне поле, під дією якого в отворі електрода створюється велика концентрація іонів. Під дією фокусувального електрода іони витягуються у вигляді пучка з цього отвору і направляються в робочий прилад 4.
Більш просто іонні пучки можна отримати використовуючи тліючий розряд, який збуджується між катодом і анодом спеціальної форми. Один з варіантів подібної системи, призначений для обробки матеріалів іонними пучками, приведений на рис. 44. Між анодом 1 і катодом 2, що знаходяться в сосуді, де підтримується тиск приблизно 5 Па, збуджується розряд. Напруга між електродами може мінятися в межах 0,5-15 кВ. Розряд ініціюється автоелектронною емісією з поверхні катода під дією сильного поля між анодом і катодом. Проміжок між анодом і катодом вибирається так, щоб він був менше довжини вільного пробігу електронів (при заданому тиску). Число іонізацій в проміжку мало, тому розряд не виникає. Розряд виникає тільки в порожнині анода, де електрони проходять шлях, достатній для іонізації значного числа атомів, ніж у порожнині. Утворені в порожнині іони витягуються під дією поля і проникають у отвір катода, розташованого проти порожнини анода. Виріб, який треба обробити, розташовується, з оберненої сторони катода напроти отвору в ньому.
Рис. 44. Іонна гармата
1 – анод; 2 – катод; 3 – оброблювальна деталь
Окрім іонної гармати в пристрої є система для створення необхідного тиску, пуску повітря, джерела напруги, а також вимірювальні прилади і бінокулярний мікроскоп для нагляду за встановленням виробу для обробки і процесом обробки. При напрузі між катодом і анодом, рівним 15 кВ, величина іонного струму досягає 10 мА. Регулювання величини іонного струму відбувається зміною не тільки напруги, а й тиску в камері.
За функціональною дією іонні установки трохи подібні до установок плазмового нагрівання. Живляться установки від джерела постійного струму. Найширшого розповсюдження набули установки, у яких джерелом іонів є тліючий розряд. Прискорення іонів здійснюється у катодній області, де як катод вміщується виріб, який оброблюється. В залежності від призначення установок енергія іонів змінюється від десятків до сотень електрон-вольт.
Установки іонного нагрівання використовуються у машинобудуванні для отримання стійких до спрацювання та зміцнювальних дифузійних шарів та покриттів. Широко використовуються установки для іонного азотування деталей машин та інструмента. Установки іонного азотування мають потужність від 67 до 650 кВּА, робочі струми до 650 А, напруга живлення при потужностях до 170 кВּА становить 380 В, при більших потужностях – 6 або 10 кВ; робота установок характеризується нестабільністю, при роботі мають місце як технологічні короткі замикання, так і перехід до режимів неробочого ходу.
Різновидами установок іонного нагрівання є іонно-плазмові установки, призначені для нанесення покриттів на вироби та інструменти за допомогою осадження нітридів, карбідів, оксидів та інших речовин, що підвищує стійкість до спрацювання оброблених матеріалів у 3-10 разів. До комплекту джерела живлення таких установок входить джерело високовольтної напруги на струм до 20 А і чотири низьковольтних джерела живлення електродугових випарювачів для струмів до 120 А.
За надійністю живлення установки іонного нагрівання належать до споживачів першої і другої категорій.
Контрольні питання до підрозділу 3.8
Який принцип роботи установок іонного нагріву ?
Які існують типи джерел іонів ?
Який принцип дії системи з тліючим розрядом ?
Яка галузь застосування установок іонного нагріву ?