ПРОЦЕСС ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА, МИГАЮЩИМИ РАЗРЯДНЫМИ ИОНАМИ И ОЦЕНКА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА Текст научной статьи по специальности «Физика»

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

ПРОЦЕСС ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА, МИГАЮЩИМИ РАЗРЯДНЫМИ ИОНАМИ И ОЦЕНКА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА Арустамов В.Н.1, Худайкулов И.Х.2, Кахрамонов Б.Р.3

'Арустамов Владимир Николаевич- кандидат физико-математических наук, старший научный

сотрудник, завидущий лабораторией, 2Худайкулов ИлёсХолмурадович- PhD. физико-математических наук, старший научный

сотрудник,

3Кахрамонов Бобуржон Рузибоевич- младший научный сотрудник, лаборатория Ионно-плазменных технологии, Институт ионно-плазменных и лазерных технологий АНРУз, г. Ташкент, Республика Узбекистан

Аннотация: в работе рассмотрены физико-технические аспекты формирования процесса очистки металлической поверхности ионами плазмы тлеющего разряда. Представлены функциональные схемы установки и процесса, реализующего очистку поверхности ионами плазмы тлеющего разряда

Ключевые слова: тлеющий разряд, бомбардировка ионами, очистка поверхность

УДК 537.52

ВВЕДЕНИЕ. Базисом предварительной очистки поверхности изделия ионами плазмы тлеющего разряда являются физические особенности электрических разрядов в газовой среде. В процессе разрядных процессов в газовой среде образуются заряженные частицы, которые переносят ток между электродами разрядной системы и образуют плазму разряда. Плазма тлеющего разряда прилегает к поверхности изделия, которое находится под отрицательным потенциалом относительно анода электроразрядной системы, находящегося под положительным потенциалом. Ионы плазмы тлеющего разряда, созданной в разрядном промежутке, под действием вытягивающего потенциала направляются к обрабатываемой поверхности и удаляют различные наслоения и загрязнения при взаимодействии с ней. На рисунке 1 представлена блок-схема процесса очистки поверхности изделий ионами плазмы тлеющего разряда. На схеме указаны объекты, участвующие в процессе очистки, а также параметры процесса: входные - состояние объекта, выходные - результат воздействия на объект, снизу - элементы технической системы процесса, сверху -элементы управления. Очистка ионами плазмы тлеющего разряда осуществляется путем взаимодействия ионов плазмы разряда с поверхностью, и энергия ионов определяет глубину их воздействия на приповерхностный слой материала изделия. При энергии ионов от 0,6 до 2 кэВ подвергается воздействию поверхностный слой материала изделия, что приводит к удалению атомов различных наслоений и загрязнений. [1; с. 88-94, 2; с. 21-23, 3; с. 111-117].

Методы и материалы.

Рис.1. Блок схема процесса очистки ионами плазмы тлеющего разряда.

Метод очистки и подготовки поверхности изделий перед нанесением покрытий основан на процессе распыления частиц загрязнений с помощью ионов плазмы тлеющего разряда. В основе ионных и ионно-плазменных технологических процессов обработки поверхностей лежит использование низкотемпературной газовой плазмы тлеющего разряда низкого давления в качестве источника частиц для обработки материалов. Формирование плазмы тлеющего разряда осуществляется электрическим разрядом в электрическом поле при высоком напряжении до нескольких киловольт, подаваемом на электроды системы. В результате ионизации газа электронами, полученными при неупругих столкновениях электронов с частицами газа, происходит полная ионизация газовой разрядной среды, что создает широкие возможности для очистки поверхности и изменения ее свойств. Управление движением и энергетическими характеристиками ионов плазмы тлеющего разряда осуществляется их воздействием электрическим полем, а также отбором и ускорением. Взаимодействие ионов плазмы разряда с поверхностью изделия-катода, находящейся под отрицательным потенциалом, приводит к физическому распылению частиц, находящихся на поверхности. В результате этого разрываются связи атомов поверхностного материала, что приводит к их удалению, а также разрушению образовавшегося комплекса при взаимодействии падающей частицы с частицей, находящейся на поверхности. Обработка поверхности ионами разряда плазмы осуществляется за пределами плазмы разряда.

Технологический процесс очистки поверхности с использованием ионов тлеющего разряда осуществляется через специальную систему.

Основу системы составляют вакуумная установка и электродная система. В вакуумной камере вакуумной установки создаются необходимые условия для реализации физических и технологических процессов в вакууме. В электродной системе происходит формирование плазмы электрического разряда. Техническая система, в которой создается электрический разряд, является основой для ионной и ионно-плазменной обработки материалов. Эта система обеспечивает три основных условия:

1. Функционирование тлеющего электрического разряда в вакуумированном пространстве камеры вакуумной установки.

2. Формирование потока ионов плазмы разряда, направленного на обрабатываемую поверхность изделия.

3. Взаимодействие потока ионов с обрабатываемой поверхностью изделия. В электродной системе, которая находится в вакуумной камере установки, запускается тлеющий разряд. Ионный поток из плазмы разряда, под действием электрического поля между отрицательным и положительным электродами разрядной системы, направляется на обрабатываемую поверхность изделия. Это происходит благодаря

подключению источника высокого напряжения к электродам. При бомбардировке ионами плазмы обрабатываемой поверхности происходит удаление различных загрязнений. Возможность изменения энергии ионов позволяет управлять параметрами процесса очистки и обработки изделий разной геометрии и размеров. Основой метода является формирование ионного потока на границе плазменного образования тлеющего разряда, близкой к обрабатываемой поверхности. Разряд зажигается в атмосфере рабочего газа, такого как инертные газы или азот, создаваемого в вакуумной камере. Изделие размещается на специальном устройстве (рабочем столе) согласно параметрам технической и электродной систем установки. В камеру подается рабочий газ, например, аргон, до достижения давления 10-10-1 Па, где происходит тлеющий разряд с параметрами, обеспечивающими требуемый режим очистки обрабатываемой поверхности. Плотность тока ионов составляет до 8 мА/см2, а напряжение на электродной системе варьируется от 400 до 900 В. Системы формирования рабочей среды в вакуумной камере (напуск плазмообразующего газа и вакуумная откачка) работают непрерывно, чтобы поддерживать необходимые параметры разрядной газовой среды. На рисунке 2 схема установки для очистки

Камера вакуумной установки-1; катод-2; анод -3; система вакуумирования 4; 5; система подачи реактивного газа-7; источник питания тлеющего разряда (и= 800В 1 = 10А) - 6; плазма тлеющего разряда-8; обрабатываемые изделия-10; вращающийся рабочий стол-11; изолированный от камеры электропривод вращения рабочего стола-12.

На рисунке 2 показана вакуумная установка для очистки поверхностей ионами плазмы тлеющего разряда. Установка включает в себя камеру с водяным охлаждением (1), систему вакуумирования с форвакуумным насосом (8) и высоковакуумным диффузионным насосом (5), нагреватель масла диффузионного насоса (6)), линию вакуумирования (7), систему напуска рабочего газа в камеру (2), винтель для напуска атмосферы в камеру (3), вакуумный затвор, отделяющий диффузионный насос от камеры (4). Установка также оснащена датчиками для измерения давления в вакуумной камере и диффузионном насосе (11), а также вакуумметром (9). Электрическое питание устройств в установке осуществляется от трехфазной сети с напряжением 380 В.

Очистка поверхности изделий ионами плазмы тлеющего разряда осуществляется путем бомбардировки ионами поверхности, находящейся под отрицательным потенциалом. Это приводит к увеличению адгезии поверхности и ее активации, что

позволяет формировать покрытия с высокой стойкостью и антикоррозионными свойствами.

Функциональная схема технологического процесса представлена на рисунке 3 Характеристики процесса очистки поверхности ионами рабочего газа в тлеющем разряде определяются условиями разряда, такими как давление и свойства рабочего газа в рабочем объеме, ток разряда и параметры разрядной системы.

Технологический процесс очистки поверхности изделий ионами плазмы тлеющего разряда состоит из двух этапов: подготовка поверхности перед процессом очистки (предварительная подготовка) и сам процесс очистки поверхности ионами плазмы тлеющего разряда (преднапылительная подготовка).

Параметры технологического процесса

Ж

Тлеющий разряд Ток тлеющего разряда Рабочие давление Рабочий газ Время

[

[

Преда орите льная подготовив изделия

ш

Загрузка изделия в рабочий объём установки

-У-

Вакуумировакке напуск рабочего газ

Очи стка и онами плазмы в тлею щем разряд е

Охлаждения изделия

Разгерметизация камеры Выгрузка очшценых изделий

г

| Адгезйя""^^^ёЁохйватоп^овёр^

Рис. 3. Структурно-функциональная схема технологического процесса очистки поверхности изделия ионами плазмы тлеющего разряда.

Очистка поверхности изделий ионами плазмы тлеющего разряда проводится в несколько этапов. Вначале генерируется тлеющий разряд, после чего формируется ионный поток, направленный на поверхность изделия. Под действием электрического поля, ионы плазмы бомбардируют поверхность изделия, вызывая эмиссию электронов и удаление загрязнений. Вся процедура происходит в вакуумированном пространстве камеры, в атмосфере рабочего газа, которая обеспечивает функционирование разряда. Для реализации процесса используется диодная электродная система. Генерация тлеющего разряда осуществляется в технической системе, состоящей из катода, анода и электрода с отрицательным потенциалом. Ионы из плазмы разряда бомбардируют поверхность катода, вызывая эмиссию электронов и удаление загрязнений. Поверхность изделия подготавливается к очистке путем размещения изделия на рабочем столе в вакуумной камере. Затем воздух откачивается из камеры, а атмосфера рабочего газа создается системой напуска газа. При подаче высоковольтного электрического потенциала на электроды разрядной системы формируется тлеющий разряд, который бомбардирует поверхность изделия и осуществляет технологическое воздействие на нее. Очистка поверхности происходит под отрицательным

потенциалом ионов плазмы тлеющего разряда. После завершения процесса, источник питания отключается от электродов системы генерации плазмы, вакуумная камера закрывается, и изделия остаются внутри для остывания. После остывания, камера разгерметизируется и изделия выгружаются. Таким образом, процесс очистки ионами плазмы тлеющего разряда предусматривает подготовку поверхности, очистку поверхности и завершение процедуры.

Оценка поверхности очищенного металла с помощью тлеющего разряда

На рис. 4 показаны исходный образец и обожженная металлическая поверхность. Как видно из этого рисунка, поверхность, очищенная ионами тлеющого разряда, достигла значительной чистоты по сравнению с исходным образцом. Это также можно наблюдать по изменению интенсивностей на рис. 4 а, б.

о,л

£ ИЗО о ■■

| оиг % п.;я = С. 14 ~ Д10

ОЦН

0.0(15 ■- 6] 13.071 > ;т о.тл -

^ О,

\MisLJ 1 \yV\J

люи 1шю И:1Х' мы (НО 1Я1) ист Ш

;0Я 1£О0 лин 1/ш тем йш ьш V, си-1

з^оо г^т

Рис. 4. ИК-спектр поверхности изделия, а- исходный образец, б- после очистки тлеющим

разрядом.

Исследования, проведенные в соответствии с литературными данными [4; с. 139148, 5; с. 1349-1357], позволяют сделать следующие предположения относительно характеристических полос поглощения различных веществ. Установлено, что полосы поглощения в области 3400 см-1, 1400 см-1 и 400-600 см-1 характерны для соединения Fe2Oз. Аналогично, полосы поглощения в диапазоне 3200 см-1, 2900 см-1 и 1300-1500 см-1 относятся к характерным значениям для минеральных масел. Ароматические углеводороды оказывают специфическое поглощение в области 1600 см-1, а для вазелина эта область составляет 1500 см-1. Наконец, парафин проявляет полосы поглощения в диапазоне 800-1000 см-1.

Заключение

Объектами процесса нанесения защитных, упрочняющих покрытий являются элементы металлоконструкций, детали машин, механизмов и другие изделия, используемые в реальном секторе экономики. Подготовка поверхности изделий к нанесению покрытий предусматривает предварительную механико-химическую обработку поверхности и последующую преднапылительную очистку. Преднапылительная очистка поверхности обеспечивает удаление загрязнений на атомарном уровне и, кроме того, осуществляет активацию поверхности, что существенно влияет на адгезию и качество наносимого покрытия. Эффективным методом преднапылительной очистки поверхности и её активации является очистка ионами плазмы тлеющего разряда. В результате осуществления процесса очистки ионами плазмы тлеющего разряда обрабатываемой поверхности повышается адгезия и однородность наносимого покрытия. увеличивается срок службы изделий. Управление процессом очистки ионами плазмы тлеющего разряда осуществляется давлением рабочего газа в вакуумированом объеме, напряжением на электродах разрядной системы, плотностью тока, энергией бомбардирующих ионов.

Применение преднапылительной очистки ионами плазмы тлеющего разряда востребовано, как основного этапа процесса нанесения защитных, антикоррозионных покрытий и иного функционального назначения, в машино- автомобилестроении и других производственных и технических областях экономики.

Интенсивно развиваются технологии, обеспечивающие повышение эксплуатационных свойств и срок службы деталей. Наряду с вакуумными, ионно-плазменными методами нанесения защитных, упрочняющих покрытий на рабочую поверхность изделия, интенсивно развиваются термодиффузионные методы и прежде всего цинкование позволяющие наносить покрытия высокого качества на изделия различной геометрии. В достижении высоких параметров наносимого покрытия существенная роль принадлежит чистоте обрабатываемой поверхности. Что обуславливает необходимость прелнапылительной подготовки обрабатываемой поверхности, её очистке от различного рода загрязнений, обеспечивающей повышение адгезии наносимого покрытия. Большими возможностями обладает метод очистки поверхности ионами из плазмы вакуумных электрических разрядов и прежде всего тлеющего разряда, позволяющий существенно повысить адгезионные свойства обрабатываемой поверхности, не только в результате удаления с неё загрязнений, но и активации обрабатываемой поверхности.

Список литературы

1. В.А. Лисовский, С.Д. Яковин Характеристики катодного слоя тлеющего разряда низкого давления в аргоне и азоте Письма в ЖТФ 2000, том 26, вып.19 сс.88-94

2. Гусев Г.А. Тлеющий разряд в технологии ЭВП. // ЦНИИ Электроника Москва 1980, сс..21-23

3. Л.М. Петров [идр.] Очистка активация поверхности изделий из конструкционных металлических материалов в процессе вакуумной ионно- плазменной обработки. // Технология легких- 2009 -с 111-117.

4. Palacios E.G., G. Juârez-Lôpez, and A.J. Monhemius. "Infrared spectroscopy of metal carboxylates: II. Analysis of Fe (III), Ni and Zn carboxylate solutions." Hydrometallurgy 72.1-2 (2004): 139-148.

5. Hannisdal, Andréas, Pàl V. Hemmingsen, and Johan Sjoblom. "Group-type analysis of heavy crude oils using vibrational spectroscopy in combination with multivariate analysis." Industrial & engineering chemistry research 44.5 (2005): 1349-1357.

ОСНОВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИННОВАЦИОННЫХ МЕТОДОВ В ОБУЧЕНИИ МАТЕМАТИКЕ Берденова Г.Ж.1, Флорина Т.А.2

1Берденова Гульнар Жалгасовна - магистр математики, старший преподаватель; 2Флорина Татьяна Андреевна - студент, кафедра математики и физики, Костанайский региональный университет имени Ахмет Байтурсынулы, г. Костанай, Республика Казахстан

Аннотация: в статье рассматривается применение инновационных методов в обучении математике, подчеркивая их роль в повышении эффективности образовательного процесса. Статья предлагает анализ применения технологий, игровых подходов и интерактивных методов для стимулирования интереса к предмету и улучшения усвоения математических концепций у студентов. Цель статьи заключается в исследовании, анализе и выявлении эффективности