ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2011, № 5, с. 140-148
ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.384
ИСТОЧНИК ШИРОКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ С САМОНАКАЛИВАЕМЫМ ПОЛЫМ КАТОДОМ ДЛЯ ПЛАЗМЕННОГО АЗОТИРОВАНИЯ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ
© 2011 г. Н. В. Гаврилов, А. И. Меньшаков
Институт электрофизики УрО РАН Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 106 E-mail: gavrilov@iep.uran.ru Поступила в редакцию 17.02.2011 г. После доработки 21.03.2011 г.
Описан принцип действия и приведены характеристики источника широких электронных пучков на основе разряда с самонакаливаемым полым катодом и расширенной анодной частью. Источник предназначен для ионного азотирования металлов в плазме электронного пучка. Исследовано влияние плотности тока (1—7 мА/см2) и энергии ионов (0.1—0.3 кэВ) на скорость азотирования аусте-нитной нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Показано, что максимальная скорость азотирования достигается при таком сочетании минимального напряжения смещения на образцах (100 В) и максимальной плотности ионного тока, которое обеспечивает распыление динамического оксидного слоя на поверхности образцов. Источник электронов, в котором электроны извлекаются через стабилизирующую сетку в направлении, нормальном к оси полого катода, обеспечивает формирование радиально расходящегося пучка электронов с начальным сечением 700 см2, током до 30 А и начальной энергией электронов 0.1—0.5 кэВ. Источник стабильно работает при давлении азотно-аргоновой смеси до 3 Па.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из перспективных применений широких электронных пучков является азотирование сталей и сплавов в плазме, создаваемой ионизацией азотсодержащих газовых смесей при давлении 0.15—20 Па [1, 2]. При традиционном азотировании в плазме тлеющего разряда изделия находятся под потенциалом катода (0.4—1.1 кВ) и нагреваются до температур, обеспечивающих диффузию атомов азота в объем, ионами, ускоренными в катодном слое. При азотировании в плазме электронного пучка изделия могут иметь потенциал, близкий к потенциалу ускоряющего электрода, или находиться под плавающим потенциалом. В этом случае нагрев изделий может производиться в широком диапазоне изменения параметров электронного пучка, плотность мощности которого на поверхности изделия должна компенсировать потери энергии путем излучения, конвекции и теплопроводности (~1 Вт/см2 ) [3].
Однако формирование на поверхности большинства из азотируемых материалов динамического оксидного слоя, препятствующего диффузии азота в объем, приводит к необходимости ионного травления поверхности изделий в процессе обработки, для чего к ним прикладывается отрицательный потенциал. Поэтому при азотировании в плазме электронного пучка обычно реализуется комбинированный электронно-ионный нагрев. Скорость ион-
ного распыления поверхности увеличивается с ростом плотности тока и энергии ионов [4]. Если параметры ионного потока таковы, что скорость ионного распыления намного выше, чем это требуется для удаления оксидного слоя, то конкурирующее влияние процессов ионного распыления и диффузии азота в твердом теле приводит к ограничению толщины слоя при ионном азотировании [5].
Влияние плотности ионного тока на скорость диффузии азота в условиях, когда имеет место его захват растворенными атомами примеси, в частности атомами хрома в нержавеющих сталях, является темой большого числа исследований, значительное расхождение результатов которых может быть следствием трудности контроля динамики оксидного слоя и скорости ионного распыления. Например, если в [6] утверждается, что при изменении плотности ионного тока коэффициент диффузии азота может меняться на несколько порядков величины, то в [7] сделан вывод о том, что при низкой плотности ионного тока скорость диффузии ограничена скоростью поступления азота в объем, а при достижении определенных значений плотности ионного тока коэффициент диффузии не должен зависеть от плотности тока.
Экспериментальное изучение влияния плотности тока и энергии ионов на скорость азотирования в большинстве случаев проводится с ис-
пользованием источников ионов, так как это обеспечивает контролируемость параметров ионного пучка, однако для поддержания постоянства температуры азотируемого образца, нагреваемого ионами, оба параметра приходится изменять одновременно, чтобы сохранить плотность мощности на поверхности образца. Использование внешнего источника нагрева позволяет устранить эту взаимосвязь. При азотировании в плазме электронного пучка дополнительный нагрев регулируется изменением доли электронов пучка, преодолевающих потенциальный барьер у поверхности изделия.
Целью работы является создание системы генерации плазмы электронным пучком с параметрами, обеспечивающими эффективное азотирование нержавеющих сталей. Первоочередной задачей является изучение особенностей азотирования при низкой энергии и высокой плотности тока ионов азота. Соответственно разрабатываемый источник электронов должен обеспечивать плотность тока эмиссии ионов из пучковой плазмы ~1—10 мА/см2 при ускоряющих напряжениях порядка нескольких сотен электронвольт. В отличие от [1], где с помощью ленточного источника электронов создается плазменный лист с большой площадью поверхности, а образцы размещаются вне пучка, в данной работе для генерации плазмы используется радиально расходящийся пучок, в котором электроны ускоряются в направлении образцов. Для эффективного азотирования больших поверхностей в такой системе требуется сильноточный электронный пучок с большим поперечным сечением. Источник электронов должен стабильно функционировать в форвакуумном диапазоне давлений (до нескольких паскалей), в котором ранее была получена максимальная скорость азотирования нержавеющей стали [8].
Устойчивую генерацию электронного пучка в области давлений до 10 Па обеспечивают плазменные источники электронов с сеточной стабилизацией [9]. Большой ток пучка достигается использованием в таких системах дуговых разрядов. Однако дуга с катодным пятном не обладает достаточной стабильностью при токах, близких к пороговым, а недостатком использования прямо-накального термоэмиссионного стержневого катода при форвакуумных давлениях является ограниченный неравномерным ионным распылением относительно небольшой ресурс работы (~100 ч).
Альтернативным вариантом является использование разряда с самонакаливаемым полым катодом [10], который устойчиво функционирует при давлениях ниже 100 Па и токах 1—100 А. Использование тепловых экранов позволяет повысить эффективность разряда, а повторное осаждение распыляемого материала катода на стенках полости увеличивает ресурс работы полого катода.
Известно использование такого разряда для формирования фокусированных электронных пучков с высоким первеансом [11], однако для получения широких электронных пучков разряд ранее не применялся. Одной из причин является контракция разряда на выходе из полого катода при больших токах, приводящая к значительной неоднородности распределения плотности тока в поперечном сечении формируемого пучка [12]. Однако при извлечении электронов из плазмы разряда в поперечном относительно оси полого катода направлении этот эффект не должен оказывать влияния на электронную эмиссию плазмы, что позволяет формировать радиально расходящийся электронный пучок, площадь поперечного сечения которого в области дрейфа возрастает с расстоянием от сетки плазменного источника электронов.
В данной работе исследованы свойства разряда с самонакаливаемым полым катодом и расширенной анодной частью разряда, изучены эмиссионные свойства плазмы разряда при различных направлениях отбора электронов относительно оси полого катода, получены широкие пучки электронов с начальной энергией 0.1—0.5 кэВ и током 4—30 А, а также изучены свойства пучковой плазмы, генерируемой в режиме прямого пролета электронов в области дрейфа пучка и в режиме осцилляции быстрых электронов. Приведены результаты экспериментов по азотированию нержавеющей стали в широком диапазоне изменения плотности ионного тока и энергии ионов азота.
1. РАЗРЯД С САМОНАКАЛИВАЕМЫМ ПОЛЫМ КАТОДОМ
Конструкция газоразрядной системы с самонакаливаемым полым катодом (с.н.п.к.) схематично показана на рис. 1. Полый катод 1 изготовлен из ниобиевой трубки с внутренним диаметром 7—8 мм, толщиной стенки 1 мм и длиной 60 мм. Катод установлен внутри водоохлаждаемо-го корпуса 2 на фланце из молибдена. Основным отличием от [13] является использование теплового экрана 3 из молибдена, установленного между корпусом и катодной трубкой, а также системы зажигания дугового разряда на основе вспомогательного газового разряда в электродной системе типа обращенный магнетрон между катодами 4, 1 и стержневым анодом 5 в поле кольцевого постоянного магнита 6.
Проникающая в основной разрядный промежуток плазма вспомогательного разряда возбуждает тлеющий разряд с током 2 А между катодом 1 и полым анодом 7. Через промежуток времени <1 мин полый катод переходит в термоэмиссионный режим. Вольт-амперные характеристики разряда, полученные в конструкциях с тепловым экраном и без него при различных потоках О напускаемого
•5 ■ 4 ■6 1
■2 -3
7
9
10
а .....
11
"И хг
Откачка
Рис. 1. Конструкция генератора плазмы. 1 — полый катод; 2 — водоохлаждаемый корпус; 3 — тепловой экран; 4 — катодная вставка; 5 — стержневой анод; 6 — кольцевой постоянный магнит; 7 — полый анод; 8 — плоский коллектор; 9 — цилиндрический коллектор; 10 — стержневой анод; 11 — изолятор; а, Ь — указано расположение сплошной и сетчатой частей полого анода при продольном (а) и поперечном (Ь) извлечении.
через катодную полость рабочего газа (Аг), приведены на рис. 2. Наряду со снижением напряжения горения разряда тепловой экран ускоряет переход катода в режим термоэмиссии.
Так как напряжение горения и скорость потери массы катодного материала на единицу тока разряда в с.н.п.к. снижаются при увеличении потока газа через катод [14], была оценена возможность прокачки всего объема используемой при азотировании смеси N + Аг через катодную полость. Поскольку поведение с.н.п.к. в среде азота исследовалось ранее только для катодов из циркония и тантала [15], были проведены экс
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.