NAGRZEWANIE JARZENIOWE

Nagrzewanie jarzeniowe jest to nagrzewanie elektryczne polegające na wy­korzystaniu niskociśnieniowego anormalnego wyładowania jarzeniowego jako źródła ciepła oraz aktywatora procesów fizycznych i chemicznych przy wytwarzaniu oraz modyfikacji warstw wierzchnich.

Duża część znanych aplikacji metody dotyczy wytwarzania warstw na podłożu metalowym, lecz wytwarza się je też na półprzewodnikach i dielek­trykach.

Wyładowanie jarzeniowe należy do kategorii wyładowań samoist­nych, do któ­rych zalicza się ponadto wyładowanie Townsenda, część wyła­dowań ciemnych, wyłado­wanie koronowe, podnormalne i normalne wyła­dowanie jarzeniowe oraz łukowe wraz z wyładowaniem w obszarze przej­ściowym, w którym łuki ulegają rozwinięciu (rys. 12.1).

Rys. 12.1. Charakterystyka napięciowo - prądowa wyładowań elektrycz­nych w argonie przy stałym ciś­nieniu

W obszarze wyładowania jarzeniowego rozkłady napięcia, natężenia pola elektrycznego, gęstości prądu elektronowego i jonowego są nierówno­mierne. W układach elektrodowych przy zasilaniu prądem stałym oraz im­pulsowym jednostronnym występuje duży katodowy spadek napięcia wy­wołany ładunkiem przestrzennym jonów dodatnich zgromadzonych przy katodzie.

Spadek napięcia przy anodzie, zależny od ładunku przestrzennego znajdu­jących się tam elektronów, jest znacznie mniejszy niż przy katodzie. Pod­czas wyładowania jarzeniowego występują efekty świetlne.

Wy­ładowanie jarzeniowe może się oczywiście odbywać w warunkach zasi­lania prądem przemiennym. Strefy anodowa i katodowa, a wraz z nimi strefy o małej i dużej luminancji, ulegają wtedy cyklicznym przemieszcze­niom i z powodu dużej szybkości tych zmian uzyskuje się efekt równomier­nego i ciągłego świecenia gazu w całym obszarze wyładowania. Przy pobu­dzaniu wielką częstotliwością wyładowanie jarzenio­we wytwarzane jest także w układach charakterystycznych dla nagrzewania indukcyj­nego (10 ÷ 50 kHz), pojemnościowego (zwykle 13,56 MHz) oraz mikrofalowego (np. 2,45 GHz).

Do celów technologicznych stosuje się przede wszystkim wyładowanie ja­rzenio­we anormalne, przy gęstościach prądów mniejszych od odpowiada­ją­cych punktowi G na charakterystyce napięciowo-prądowej (rys. 12.1).

W typowych warunkach wyładowania jarzeniowego jonizacja nie przekra­cza kilku procent, a często jej stopień jest znacznie mniejszy. Spo­śród two­rzących plazmę jonów, elektronów, cząstek wzbudzonych, atomów i cząste­czek gazów, jony przenoszą tylko ok. 10% energii. Tym niemniej odgry­wają one ważną rolę w tworzeniu się warstwy wierzchniej. W celu in­tensy­fikacji ich oddziaływania tworzy się często warunki umoż­liwiające bom­bardowanie nimi obrabianej powierzchni, np. przez wytworzenie na niej potencjału ujemnego. Najprościej realizuje się to w układach stałonapię­ciowych oraz impulsowych jednostronnych, w których obrabiana po­wierzchnia stanowi ujemną elekt­rodę układu elektrodowego. Efekt taki uzyskuje się także w warunkach zasilania napię­ciem przemiennym nawet o wielkiej i bardzo wielkiej częstotliwości.

W niektórych technologiach efekty oddziaływania wyładowania ja­rzenio­wego są dodatkowo intensyfikowane. Jeden z bardziej efektywnych sposo­bów takiej inten­syfikacji polega na wykorzystaniu poprzecznego pola ma­gnetycznego, które koncentruje plazmę na powierzchni materiału roz­pyla­nego w celu osadzenia go na powierzchni wsa­du. Tego rodzaju rozwią­zanie stosowane jest w metodzie tzw. reaktywnego rozpylania magnetrono­wego.

Technologie wykorzystujące nagrzewanie jarzeniowe są realizowane są przy ciśnieniu 0,1 ÷ 2000 Pa, a więc z punktu widzenia technicznego trzeba je zaliczyć do próżniowych, charakteryzujących się jednak ściśle określo­nym składem atmosfery w przestrzeni obróbczej. Ciśnienie w piecu i pa­rametry elektryczne układu podtrzymu­jącego wyładowanie jarzeniowe po­winny być tak dobrane, by charakterystyczne dla tej techniki świe­cenie po­krywało całą modyfikowaną (obrabianą) powierzchnię. Nie­kiedy jest to bardzo trudno osiągnąć, zwłaszcza gdy powierzchnia ma złożoną geometrię, w przypadku głębokich otworów o małej średnicy, a także gdy masa bądź gabaryty wsadu wymagają jego podparcia.

Nagrzewanie jarzeniowe nie jest procesem samoistnym. Towarzyszą mu inne zjawiska fizyko-chemiczne, których rodzaj i intensywność zależą od realizowanej tech­nologii.

W warunkach nagrzewania jarzeniowego na tworzenie się warstw wierzchnich ma wpływ skład chemicz­ny atmosfery w przestrzeni wyładow­czej, szybkość jej przepływu, ciśnienie, temperatura, parametry elektryczne oraz odpowiednie przygotowanie powierzchni wsadu.

Nagrzewanie jarzeniowe wykorzystywane jest głównie w czterech wymienio­nych niżej grupach procesów:

1) w obróbkach dyfuzyjno-plazmowych, realizowanych w temperaturze

300÷1050°C;

2) w chemicznym osadzaniu warstw wierzchnich z fazy gazowej z udziałem reakcji chemicznej czyli w tzw. obróbkach PA CVD²⁾, realizowanych w temperaturze 250 ÷ 700°C;

3) w niektórych procesach fizycznego osadzania powłok na podłożu z fazy gazowej określanych coraz częściej mianem obróbek PA PVD³⁾ i realizo­wanych w temperatu­rze 50 ÷ 600°C;

4) przy wytwarzaniu cienkich warstw polimerów plazmowych na podłożach o tempera­turze 20 ÷ 800°C.

Najbardziej rozpowszechnione są technologie grupy 1), a wśród nich azotowanie jarzeniowe. Pierwsze próby jego przemysłowego wdrożenia (do obróbki luf armatnich) sięgają lat trzydziestych i czterdziestych. W pełni udane wdrożenia w skali wielkoprzemysłowej pochodzą jednak dopiero z lat sześćdziesiątych.

Współczesny stan tej techniki umożliwia wprowadzanie do wsadu nie tylko azotu, lecz także węgla, boru, siarki (tlenoazotowanie, węgloazotowa­nie, siarkoazotowanie, tlenowęgloazotowanie), a nawet metali innych niż podłoże, np. tytanu. Warunkiem zastoso­wania takich procesów jest możli­wość wprowadzenia odpowiednich pierwiastków do przestrzeni piecowej w postaci gazowej.

Obróbki dyfuzyjno-plazmowe znajdują zastosowanie przede wszyst­kim do ob­róbki części maszyn i narzędzi ze stali, żeliwa i spieków na bazie żelaza. Stosuje się je także do obróbki metali nieżelaznych takich, jak Ti, Al, Mo, W i innych. Celem tych procesów jest zwiększenie odporności warstw wierzchnich na ścieranie, korozję, jak również zwiększenie ich wy­trzymałości zmęczeniowej. Procesy te mogą być realizowane bez dostępu tlenu, a więc z eliminacją utleniania obrabianych elementów.

Realizowane są one w piecach jarzeniowych, wykonywanych w dwóch wers­jach: ze stałonapięciowym bądź z impulsowym pobudzaniem wyładowań jarzeniowych (rys. 12.3). Katodę w obu wersjach stanowi wsad łącznie z trzonem lub innymi elemen­tami utrzymującymi wsad. Anodę w piecu z po­budzaniem stałonapięciowym stanowi chłodzony wodą zbiornik próżniowy pieca, który nie ma izolacji cieplnej. Jest to kon­strukcja z tzw. anodą zimną. W piecach z pobudzaniem impulsowym stosuje się tzw. anodę gorącą. Może to być także zbiornik próżniowy, jeśli stosowana jest izolacja ciepl­na poza obszarem próżniowym lub dodatkowy wewnętrzny ekran, oddzielony od zbior­nika próżniowego wewnętrzną izolacją cieplną, lecz mający ten sam potencjał.

Wyładowanie jarzeniowe jest pobudzane napięciem stałym lub impulso­wym jednostronnym o wartości 400 ÷ 1800 V. Napięcie stałe jest stosowane w piecach z zim­ną anodą, napięcie impulsowe jednostronne - w piecach z gorącą anodą i te zazwyczaj wyposaża się w dodatkowe rezystancyjne układy grzejne. Ze względów bezpieczeństwa anoda ma zawsze potencjał ziemi zaś katoda, czyli wsad - potencjał ujemny.

Piece jarzeniowe do obróbek dyfuzyjno-plazmowych mają zwykle kształty. Najczęściej buduje się je jako jednokomorowe, lecz znane są też konstrukcje dwuko­morowe, a nawet mające jeszcze większą liczbę komór rozdzielonych ślu­zami ze zróżnicowanymi warunkami w poszcze­gólnych komorach. Eksploatuje się już piece o średnicach do 3 m i długo­ściach 15 m. Masy wsadów jednostkowych wynoszą nawet 36 Mg, zaś moce generowane w wyładowaniu jarzeniowym - l MW. Temperatury znamio­nowe pieców są zależne głównie od ich przeznaczenia. Najniższych tempera­tur wymagają procesy azotowania (300 ÷ 590°C), a najwyższych - procesy węgloazotowania (840 ÷ 1050°C).

Rys. 12.3. Schematy urządzeń jarzeniowych do obróbki dyfuzyjno - pla­zmowej: a) ze stałonapię­ciowym pobudzaniem wyładowań; b) z im­pulsowym pobudzaniem wyładowań

1 - pompa próżniowa, 2 - gazy wylotowe, 3 - gazy reaktywne, 4 - ste­rowanie, 5 - zasilacz, 6 - wsad (katoda), 7 - trzon (katoda), 8 - prze­pust katodowy, 9 - pomiar temperatury wsadu, 10 - pomiar ciśnienia, 11 - chłodzenie, 12 - dogrzewanie rezystancyjne, 13 - chłodzony wodą zbiornik pieca próżniowego (anoda), 14 - pomiar temperatury anody (w tym rozwiązaniu jest to zbiornik próżniowy), 15 - izolacja cieplna pieca, 16 - rezystancyjne elementy grzejne, 17 - gorą­ca anoda

²⁾ Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition.

³⁾ Plasma Assisted Physical Vapour Deposition lub IA PVP - Ion Assisted Physical Vapour Deposition.

2

Rys. 12.2. Schemat tworzenia się warstwy wierzchniej

w procesie obróbki plazmowo - dyfuzyjnej wsadu stalowego

---