книги / Плазменная химико-термическая обработка

темного пространства начинается фаза интенсивной лавинообразной ионизации, и образуется наибольшее количество электронов и ионов. Последние двигаются к катоду со значительно меньшей скоростью в сравнении со скоростью электронов по направлению к аноду, поэтому концентрация ионов n+ превышает концентрацию электронов ne. Возникает положительный объемный заряд тем больший, чем ближе к катоду, который отвечает закону изменения напряженности поля.

Лавинообразный характер ионизации предопределяет максимум рождения электронов в конце катодного темного пространства, где напряженность поля уже незначительна. Энергия электронов возвращается к значениям, характерным для возбуждения, следствием чего является катодное (отрицательное, тлеющее) свечение. Части электронов удается пройти всю или значительную часть области катодного падения потенциала (ОКП) с небольшим количеством или вообще без столкновений. Поэтому концентрация электронов за счет ионизации продолжает еще незначительно расти. По мере уменьшения энергии электронов спадает и свечение – это зона фарадеева темного пространства. Рост напряженности поля в зоне фарадеева темного пространства содействует увеличению и стабилизации средней энергии электронов вокруг значений Ee = 1…2 эВ, хотя в спектре есть и более энергичные частицы, предопределяющие возбуждение и свечение, однако они менее интенсивные, чем в катодном свечении. С ростом концентраций ne и n+ увеличивается вероятность рекомбинационных явлений. В каждой зоне катодной области параллельно с изменением количества электронов изменяется и количество ионов, а также их концентрация n+. Уже в конце ОКП наблюдается приблизительное равенство концентраций электронов и ионов, в положительном столбе выполняется условие квазинейтральности, и фактически он выполняет роль проводника между приэлектродными областями разряда [69].

Следует отметить, что если области отрицательного свечения от соседних частей детали при определенном сочетании параметров

81

«ток – напряжение – состав газовой среды – давление» придут в соприкосновение, то это может привести к тому, что в данной области сформируется так называемый «полый катод». Это приведет к локальному повышенному энерговыделению в данной области и, как следствие, перегреву частейдетали.

Влияние давления на вольт-амперную характеристику тлеющего разряда представлено на рис. 2.3: по мере повышения давления напряжение горения разряда снижается, а разрядный ток – увеличивается [33].

Рис. 2.3. Вольт-амперная характеристика тлеющего разряда в зависимости от давления: 1 – 67; 2 – 133; 3 – 266; 4 – 532 Па

Как упоминалось ранее, по данным [65], величина Uкпп катодного падения потенциала составляет порядка 60–90 % от приложенного напряжения. Помимо разогрева деталей садки возможно также распыление их поверхности ионами. В темной катодной области под действием поля катода ионы приобретают энергию, проходя эту зону прикатодного пространства без столкновений, т.е. без перезарядки [70]. Следовательно, их энергию можно рассчитать по формуле

гдеȆ– напряженностьэлектрическогополявкатодномслое, В/м.

82

здесьdкпп – толщинаслоякатодногопаденияпотенциала, м; λi – длина свободногопробегаионавкатодномслое, м(расстояние, котороеион проходитвкатодномслоебезперезарядки, приобретаяэнергиюεi).

В свою очередь длина свободного пробега иона λi зависит от концентрации частиц в разряде n, на которых может происходить процесс перезарядки иона и сечения перезарядкиσпер, т.е.

где n – концентрация частиц, м–3; σпер – сечение перезарядки, м2. Таким образом, для расчета энергии иона, который может участвовать в распылении поверхности, необходимо знать следующие параметры разряда: плотность тока, давление, прило-

женное напряжение и состав плазмообразующей среды. Плотность тока разряда определяется как

где I – сила тока разряда, А; S – суммарная площадь загруженных деталей, оснастки и катода, м2. Концентрацию частиц, на которых может происходить перезарядка ионов, можно определить из уравнения состояния р = nkT. Для расчета остальных величин воспользуемся формулами, приведенными для катодной части тлеющего разряда в [71].

Толщину слоя катодного падения потенциала будем рассчитывать, согласно [71], по формуле

где k – коэффициент, зависящий от сорта газа; Т – температура катода, °С; Sj – суммарная площадь садки, оснастки и катода, м2; I – сила тока разряда, А; р – давление, Па.

Рассчитанные значения коэффициента k с использованием данных из [72] составили: для аргона – 1,73·10–5, для азота – 1,97·10–5 и для водорода – 3,21·10–5. Для определения величины Uкпп воспользуемся данными о взаимосвязи Uкпп и значения относительной плотности тока j/р2 (рис. 1.28) [65]. Следует иметь в

83

виду, что при расчете величины J/р2 необходимо рассматривать приведенное давление [72]:

рприв. = ризм·300/(Т + 273).

Из приведенных в [65] зависимостей следует, что каждому значению величины j/р2 соответствует определенное значение Uкпп. Таким образом, из полученного значения величины j/р2 можно определить Uкпп и далее рассчитать толщину слоя катодного падения потенциала.

Следующим этапом расчетов является определение длины свободного пробега иона в катодном слое. Согласно [33], значения сечения перезарядки для ионов аргона и азота составляют соответственно 2,8·10–19 м2 и 3,2·10–19 м2, а концентрацию частиц (аргона или азота) n, м–3, можно рассчитать по уравнению, полученному после преобразованияуравнениясостоянияр= nkT квиду

где N – доля азота или аргона в составе смеси газов; р – измеренное давление, Па; Т – температура катода, К.

Для оценки степени воздействия ионного потока на поверхность деталей рассмотрим, какова может быть величина ионного потока. Как известно [73], скорость распыления в тлеющем разряде является функцией коэффициента распыления (КР), атомной массы иона, плотности распыляемого материала и плотности ионного тока:

где jи – плотность ионного тока, А/см2; Yp – КР материала, ат/ион; Aм – число Авогадро, ат/моль; ρ – плотность материала, г/см3.

Распыление материала начинается после того, как энергия ионов превысит некоторую пороговую энергию. Так, например, для железа пороговая энергия ионов аргона составляет 14–20 эВ [73]. Следует иметь в виду, что при взаимодействии ионов азота низких энергий с поверхностью детали более предпочтительным

84

является процесс диссоциативной рекомбинации и взаимодействия с поверхностью (образование нитридов железа и легирующих элементов, а также диффузия в глубь металла [33].

Рис. 2.4. Фрагмент спектра излучения тлеющего разряда

С учетом данных рассуждений, можно провести оценку энергии ионов аргона при разогреве и выдержке деталей. Как правило, наибольший энерговклад от разряда происходит на стадии разогрева. Для примера рассмотрим средние значения величины параметра j/р2 на стадии разогрева в смеси аргона с небольшими добавками азота и водорода (доля аргона 90 %) на уровне (4,5–9)·10–4A/м2Па2 (см. рис. 1.31), это соответствует значению катодного падения потенциала для аргона 200–250 В при давлении в камере 130–200 Па. Расчеты по вышеприведеннымформулам показали, чтоионы аргона при таких параметрах процесса приобретают энергию в катодном слое на уровне 15,8–21 эВ, т.е. в районе пороговой энергии. Следовательно, качество поверхности при такой обработке должно сохранитьсяпрактическивисходномсостоянии.

Критерием того, что процесс распыления имеет место при обработке, является наличие в эмиссионом спектре катодной час-

85

ти тлеющего разряда линий железа FeI c длинами волн λ =371,4; 377,5 и 378,9 нм (рис. 2.4) [74].

2.2. Газодинамические и энергетические характеристики процесса ионного азотирования

К газодинамическим характеристикам процесса ионного азотирования относятся давление в рабочей камере и расход газа (или газовой смеси). К энергетическим характеристикам тлеющего разряда – плотность тока, напряжение разряда, длительность импульса напряжения и паузы между импульсами. Цикл азотирования в тлеющем разряде включает несколько стадий: вакуумирование камеры до некоторого предельного давления, после чего на катод-садку подается напряжение. Между катодом и анодом возбуждается тлеющий разряд, и начинается процесс очистки поверхности и разогрева садки.

Длина откачной магистрали установки ионного азотирования зависит от конфигурации участка ионного азотирования, т.е. от взаимного расположения вакуумного насоса и рабочей камеры. Диаметр откачной магистрали выбирается обычно равным диаметру входного патрубка вакуумного насоса.

При откачке вакуумной камеры (от атмосферного давления до некоторого предельного давления), что является неустановившимся режимом работы вакуумной системы установки, происходит изменение режима течения газа в соединительных трубопроводах и, соответственно, уменьшается проводимость трубопровода. Вязкостный режим течения наблюдается при низком вакууме, когда длина свободного пробега молекул газа λ много меньше диаметра трубопроводаd (λ≤d) ивыполняетсяусловие[75]

где р – давление, Па; d – диаметр трубопровода, м.

Из этого выражения, при известном диаметре трубопровода, можно определить величину минимального давления в камере, при котором режим течения газа будет вязкостным. Тем самым

86

будет обеспечиваться максимальная проводимость магистрали и, следовательно, минимальное время откачки камеры.

Проводимость круглого трубопровода при вязкостном режиме течения газа для воздуха при Т = 293 К определяется следующим образом [75]:

где Uмаг – проводимость трубопровода, м3/с; d – диаметр трубопровода, м; l – длина трубопровода, м; р1, р2 – давление в начале и конце трубопровода, Па.

На стадии изотермической выдержки (в стационарном режиме работы вакуумной системы при рабочем давлении от 80 до 500 Па) в зависимости от площади обрабатываемых деталей и марки стали требуется обеспечить расход газа более 100 л/ч.

Таким образом, откачная система установки должна обеспечивать, с одной стороны, минимальное время откачки камеры, с другой – поддержание необходимого давления в достаточно широких пределах расходов рабочих газов.

Производительность откачной системы установки («насос + + вакуумная магистраль») определяется скоростью откачки насоса (или насосов) и пропускной способностью вакуумной магистрали. Регулировка давления в камере может осуществляться тремя способами: изменением расхода плазмообразующего газа, изменением скорости откачки насоса или изменением пропускной способности магистрали. Если известны длина магистрали, диаметр трубопровода и величина предельного давления, то скорость откачки (производительность) насоса можно вычислить, используя следующее уравнение [75]:

87

где V – объем вакуумной камеры, м3; р1, р2 – начальное и конечное давление, Па (р1 = 105 Па); t1 – время начала откачки, c; t2 – время окончания откачки, с; C – величина, характеризующая геометрию трубопровода, C = 1360d4/l; d – диаметр, м; l – длина, м.

Таким образом, по известным данным относительно параметров откачной магистрали и объема вакуумной камеры рассчитывается необходимая скорость откачки насоса, и, соответственно, выбирается насос с нужной быстротой откачки.

Следующим этапом расчета вакуумной системы является определение эффективной скорости откачки в стационарном режиме (на стадии изотермической выдержки). Исходя из закона сохранения потока газа можно определить взаимосвязь рабочего давления в камере, эффективной скорости откачки вакуумного насоса и расхода газа:

где ратм – атмосферное давление (при нормальных условиях ратм =

= 1013·102Па); Gгаза – объемный расход газа при нормальных условиях (л/ч либо м3/с); рраб – рабочее давление в камере, Па;

Sэф – эффективная скорость откачки системы «насос + вакуумная магистраль» (м3/с либо л/с).

На рис. 2.5 представлены расчетные значения необходимой эффективной скорости откачки для поддержания нужного рабочего давления в камере при различных расходах газа [76].

Параметры вакуумной системы (скорость откачки насоса и проводимость трубопровода) связаны между собой основным уравнением вакуумной техники [76]

где Sэф – эффективная быстрота откачки насоса (м3/с либо л/с); Sн – скорость откачки насоса (м3/с либо л/с); Uмаг – проводимость вакуумной магистрали (м3/с либо л/с).

88

Следовательно, в большинстве случаев будет достаточно вакуумного насоса с производительностью на уровне 20–25 л/с. Например, АВЗ-20Д, ADVAVAC-75, 2НВР-90Д и др. При этом необходимо иметь вакуумную магистраль с такими параметрами, чтобы эффективная скорость откачки была близка к скорости откачки вакуумного насоса. Расчетные значения эффективной скорости откачки системы «насос – магистраль» для магистрали длиной 2000 мм и различными внутренними диаметрами (скорость откачки насоса принималасьнауровне20 л/с) представленынарис. 2.6 [76].

Рис. 2.6. Эффективная скорость откачки системы «насос – магистраль» в зависимости от давления при разных

диаметрах магистрали: 1 – 51; 2 – 40; 3 – 32 мм

Как следует из представленных данных, увеличение диаметра магистрали минимизирует её влияние на эффективную скорость откачки.

Первичная откачка камеры проводится, как правило, до такого предельного давления, чтобы режим течения газа был вязкостным, и обеспечивалась максимальная пропускная способность магистрали. Так, для приведенных диаметров трубопроводов предельное минимальное давление в соответствии с (2.7) составляет для диаметров: 32 мм – 42 Па, 40 мм – 33 Па и 51 мм – 26 Па. Время откачки до предельного давления рпред определяется объемом камеры Vкам и скоростью откачки насоса Sн:

90