Оборудование для электроискрового легирования. Электроискровое легирование поверхности производится с помощью универсальных и специализированных установок (искровых генераторов), которые относятся к классу электромеханических устройств. Составными частями этих установок являются генератор импульсов тока и электродная коммутирующая система. В качестве материала для легирования используют электроды или порошки. Обобщенная структурная схема установки для ЭИЛ представлена на рис.
По качеству поверхности оборудование для электроискрового легирования подразделяется на установки для чистового (Яг < 80 мкм) и грубого (Яг > 80 мкм) легирования, по уровню механизации — на ручные, механизированные и автоматизированные.
Техническая характеристика установок для ручного электроискрового легирования электродами представлена в табл.
Механизированные и автоматизированные установки электроискрового легирования в основном являются специализированным оборудованием для упрочнения конкретных видов изделий. Техническая характеристика механизированных и автоматизированных установок электроискрового легирования из электродов приведена в табл. Для электроискрового легирования из порошков используют установки “Разряд” и “Раз-ряд-М”. Потребляемая мощность составляет не более 6 кВ • А, производительность 2…10 см2/мин, дисперсность используемого порошка 50…200 мкм.
Оборудование для лазерного легирования и модифицирования поверхностей. Для этих целей могут использоваться твердотельные лазеры импульсного действия (обработка малогабаритных прецизионных деталей, например деталей приборов) с энергией в импульсе излучения 3 Дж и выше, а также С02-лазеры непрерывного и им-пульсно-периодического действия (обработка средних и крупных по величине деталей, применяемых в машиностроении, транспорте и др.) мощностью 100 Вт и более.
При лазерном легировании в состав технологической оснастки помимо механизмов перемещения детали или луча, сканаторсв луча входит дозатор порошка или механизм подачи проволоки (в случае легирования металлическими присадками), либо система подачи легирующего газа (в случае легирования газами, например, азотом, кислородом и др.). В случае легирования смесями газов необходим смеситель с контрольной аппаратурой. Дозаторы порошка и механизмы подачи проволоки аналогичны применяемым для лазерной наплавки, но должны обеспечивать на порядок меньший расход порошка или проволоки.
Оборудование для электронно-лучевого модифицирования поверхностей. Для реализации технологических процессов электронно-лучевого модифицирования поверхностей металлов используют как специализированное оборудование [26], так и установки для электроннолучевой сварки. Наибольшее распространение для целей модифицирования получили сварочные установки, которые обычно модерни- зируют для расширения технологических возможностей при модифицировании поверхностей. При этом обеспечивается возможность создания и управления тепловложением на площади, превышающей площадь поперечного сечения электронного пучка. Модернизация сварочных установок заключается в следующем: в электронной пушке либо на ее торце устанавливается малоиндуктивная отклоняющая система; система управления отклонением электронного пучка заменяется на специализированную (быстродействующую, с программным управлением); манипулятор изделия или электронной пушки, а также его система управления иногда дорабатывается или заменяется для обеспечения высоких скоростей перемещения (до 40 мм/с).
Техническая характеристика систем управления установок для электронно-лучевого модифицирования поверхности приведена в табл. 1.15.
Многофункциональная система управления “Промин-1″ состоит из микропроцессорного блока, двухканального усилителя сигналов развертки электронного пучка и блока управления приводом. Она обеспечивает в режиме диалога:
программное управление током электронного пучка и фокусирующей линзы электронной пушки, отклонением электронного пучка по двум координатам для одной или двух отклоняющих систем, приводом (шаговым, асинхронным или постоянного тока);
ввод, просмотр, корректировку и хранение в виде библиотек в долговременной памяти программ технологических режимов;
аварийное завершение технологического процесса по специальной подпрограмме;
контроль работоспособности основных узлов системы (дисплея, клавиатуры, таймера, постоянного и оперативного запоминающих устройств, оптоволоконной системы).
В режиме модифицирования поверхности система формирует высокочастотную растровую развертку электронного пучка. В режиме гравировки программно задается текст надписи, которая будет нанесена электронным пучком на поверхности изделия. При этом воспроизводятся цифры, буквы русского и латинского алфавита.
Специализированные пирометрические системы позволяют осуществлять контроль параметров температурного поля при электронно-лучевом модифицировании поверхностей бесконтактно, через иллюминатор вакуумной камеры. Так, с помощью пирометрических сканирующих систем СКАПИР можно контролировать распределение температуры при нагреве поверхности металлов в диапазоне температур 300…3000°С с точностью 1,5%. При этом пространственная дискретность контроля температуры в точках следующая: 3×3 для системы СКАПИР.
Для получения ионных пучков, содержащих определенный элемент, выполняют сепарацию общего потока, осуществляя взаимодействие движущихся ионов с магнитным и электрическим полями, с одновременным воздействием постоянного и переменного электрических полей. По скоростям поток фильтруют с помощью электростатических анализаторов. Разделение пучка осуществляют с помощью секторных магнитных систем, отклоняющих пучок на 60 или 90°. Разделительная способность секторных магнитов не уступает разделительной способности 180°-ных магнитов. Чтобы разделить ионы по массе, используют фильтр Винна — устройство со скрещенными ортогонально магнитным и электрическим полями. В некоторых масс-спектрометрах и сепараторах применяют квадрупольные фильтры масс. Преимуществами квадруполь-ного фильтра масс являются слабая зависимость разрешающей способности от энергетического разброса ионов, возможность анализа при повышенном давлении остаточного газа, крутые фронты пиков. Основной недостаток такого фильтра заключается в наличии возможности прохождения нерезонансных ионов. В некоторых установках применяют монопольные фильтры масс, к недостаткам которых относятся чувствительность к давлению остаточных газов и нестабильность работы.
Однородность имплантации обеспечивает система сканирования. В зависимости от необходимости отклонения пучка в одном или двух направлениях используют либо две параллельные пластины, либо последовательно по ходу движения пучка две пары взаимно перпендикулярных пластин. Имплантация ионов в мишень осуществляется в вакуумной камере. Точное измерение силы тока пучка проводится с помощью калориметра, цилиндра Фа-радея и кулонометра.
Вакуумная система обеспечивает непрерывное поступление газа или паров их ионного источника в приемную камеру с высоким
вакуумом (Ю-5 Па), который способствует лучшей фокусировке пучка, уменьшению дозы нейтральных атомов и загрязнения поверхности образцов. Откачку производят диффузионными насосами, турбомолекулярными насосами с соответствующими форвакуумными насосами, геттерным насосом, создающим форвакуум для сорбционных насосов. Тип насоса выбирают с учетом состава и количества газа, а также необходимости получения безмасляного вакуума.
Тенденции развития оборудования для нанесения покрытий связаны с расширением сфер и масштабов их практического применения. В связи с этим как в области газотермических, так и вакуумных методов нанесения покрытий наблюдается стремление к созданию высокоавтоматизированных и роботизированных комплексов, обеспечивающих, с одной стороны, высокую производительность установок, а с другой, — высокое качество наносимых покрытий за счет строгого контроля параметров режима напыления. При этом используется блочно-модульный принцип создания таких комплексов, который позволяет оперативно создавать их многообразные модификации. Другая тенденция, в частности газотермического нанесения покрытий, состоит в разработке мобильных установок и сборно-разборных комплексов с целью проведения работ по напылению покрытий по месту без демонтажа конструкций и оборудования и создания стационарных участков и цехов.
Максимальная температура нагрева печи зависит в основном от типа используемых нагревателей. Так, металлические нагревательные элементы из жаропрочных и жаростойких сплавов позволяют поддерживать в печи температуру ниже 1100°С, некоторые специальные сплавы обеспечивают нагрев до 1200°С. Существенно повысить температуру нагрева при этом не удается даже при применении защитной атмосферы, так как температура плавления этих сплавов недостаточно высока. Применение силитовых и карборундовых нагревателей позволяет повысить температуру нагрева до 1300°С. Нагрев до 1600…2500°С можно осуществить, применяя нагреватели из тугоплавких металлов (молибдена и вольфрама) или графита. Однако использование этих материалов возможно только в вакууме или инертной среде, так как при нагреве на воздухе они быстро окисляются и разрушаются.
Высокотемпературные нагреватели из ди-силицида молибдена осуществляют нагрев на воздухе до температуры 1600°С. Нагреватель, представляющий собой молибденовый стержень, покрытый слоем дисилицида бора и жаростойкой эмали, выдерживает на воздухе температуру 1900°С в течение 15 ч.
На практике применяют печи с восстановительной, нейтральной и разреженной атмосферой. При выборе восстановительной среды необходимо иметь в виду следующее: активность среды, т. е. способность восстанавливать оксиды, определяется концентрацией газа-восстановителя (главным образом водорода) и влаги; активность газовой среды должна быть тем больше, чем химически прочнее оксид, покрывающий основной металл и припой; взрывоопасность среды возрастает с увеличением содержания в ней водорода. Наибольшей взрывоопасностью обладает чистый водород, значительно менее опасен диссоциированный аммиак и, наконец, практически безопасен продукт частичного сжигания диссоциированного аммиака; чистый водород, особенно очищенный и осушенный, имеет значительно большую стоимость, чем другие газовые среды; в случаях, когда применение газовой среды достаточно высокой активности невозможно или нецелесообразно для данного паяемого металла и припоя, можно сочетать газовую среду с применением флюса.
Водородные печи (в частности, конвейерные) широко применяют в радиотехнической, электронной и электротехнической промышленности. В других отраслях шире используют специальные печи для пайки в атмосфере диссоциированного аммиака, например, малоуглеродистой стали медью. Такие печи часто снабжают конвейером для непрерывного или периодического перемещения паяемых деталей.
Создание разрежения и применение аргона при пайке позволяют снизить парциальное давление кислорода и других активных газов и практически полностью избежать окисления основного металла и припоя, а в ряде случаев вызвать разрушение имеющихся оксидов. При пайке в вакууме высокотемпературными припоями этому способствует испарение многих оксидов и основного металла.
Вакуумные печи обеспечивают стабильные условия для пайки различных материалов. Они имеют водоохлаждаемую герметичную камеру (с “холодными стенками”), воспринимающую внешнее давление при создании внутри печи разрежения и во многих случаях внутреннее избыточное давление при впуске в печь инертного газа. Вакуумная камера может сочетаться с различными системами откачки воздуха, в которые могут входить диффузионные, адсорбционные или турбомо-лекулярные насосы (табл. 2.1). Промышленные печи обычно имеют остаточное давление 1 • 10″2…1 • 1(Г3 Па.
Нагреватели в вакуумных печах с радиационным нагревом изготавливаются из нихрома, графита, ниобия, молибдена, тантала, вольфрама. При использовании двух последних из названных металлов температура печи может достигать 2500 °С. Следует отметить, что весьма перспективно использование для этих целей некоторых новых графитизированных материалов (графитовая ткань и др.).
Отражатели выполняются из алюминиевых сплавов, как правило, с водяным охлаждением и позволяют получать удельный тепловой поток менее 6 кВт/см2 и площадь пятна нагрева в фокусе 5… 10 мм2. Электропитание ксеноновых ламп осуществляется от источников питания постоянного тока с напряжением холостого хода не ниже 70 В и падающей внешней вольт-амперной характеристикой. Разряд в лампе возбуждается с помощью высоковольтного высокочастотного блока поджига.
Ряд установок оснащен: механизмами для автоматической подачи припоя; шторками, перекрывающими световой поток на изделие и переключающими лампу на работу в дежурном режиме; системами, обеспечивающими нагрев в требуемой атмосфере.
Оборудование для нагрева индуцированными токами (индукционная пайка). При индукционной пайке нагрев осуществляется в результате выделения энергии в деталях, помещенных в высокочастотное магнитное поле. Важнейшая особенность индукционной пайки — быстрый нагрев паяемых изделий вследствие большой удельной мощности, что обеспечивает высокую производительность процесса и возможность его механизации и автоматизации.
Интенсивность индукционного нагрева зависит не только от электрических параметров частоты тока, напряженности поля, эффекта близости и др.), но и от физико-химических свойств материала, формы и размеров каждой из соединяемых деталей. Решающее значение для успешного применения индукционного нагрева при пайке имеют правильный выбор мощности и частоты тока установок, конструкции индуктора и его расположения относительно нагреваемого изделия. Для индукционной пайки используют установки повышенной и промышленной частоты тока, а также специальные. В качестве источников нагрева применяют ламповые, тири-сторные и машинные генераторы.
Ламповые генераторы преобразуют электрический ток промышленной частоты в ток высокой частоты, поступающий в индуктор, в котором нагревают паяемые изделия. Первичная обмотка трансформатора питается переменным током стандартной частоты напряжением 220 или 380 В. Во вторичной обмотке 2 трансформатора напряжение повышается до 8 кВ. После этого переменный ток проходит через газотронный выпрямитель и преобразуется в постоянный ток высокого напряжения, который подается на анод генераторной лампы, дающий ток высокой частоты. Однако этот ток имеет высокое напряжение и не пригоден для питания индуктора. Поэтому он подвергается преобразованию в высокочастотном трансформаторе , после этого поступает в индуктор , в котором производится нагрев деталей.
Машинный генератор вырабатывает ток частотой 2… 15 кГц и состоит из электродвигателя трехфазного тока и соединенного с ним генератора . Параллельно с электродвигателем включен электродвигатель 10 возбудителя , регулируемого реостатом . Колебательный контур подключен к генератору и представляет собой конденсаторную батарею , соединенную параллельно с первичной обмоткой трансформатора токов повышенной частоты. Вторичная обмотка этого трансформатора, понижающего напряжение, соединена с индуктором , в который помещается изделие .
