Струйный высокочастотный емкостный разряд в технологических процессах Шаехов, Марс Фаритович

Введение к работе

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.

1. Экспериментальное исследование основных параметров струи высокочастотного емкостного разряда низкого давления, ответственных за модификацию поверхности твердых тел, в зависимости от параметров установки.

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

3. 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 плазмообразутощего газа от 0 до 0,12 г/ сек.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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:

3. 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.

4. 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.

5. Результаты исследования взаимодействия потока плазмы ВЧЕ - разряда низкого давления с поверхностью твердых тел.

\. 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.), 10^th 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.

4 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.