بخشی از مقاله
طراحی و ساخت منبع تغذیه پالسی براي سیستم نیتراسیون پلاسمایی
فرآیند نیتراسیون پلاسمایی از دیدگاه متالورژي یک عملیات سطحی و از دیدگاه الکترونیکی و مـداري بـه صورت منبع تغذیه و بار در توان بالا بیان میشود. از این فرآیند بـراي افـزایش مقاومـت سایـشی، اسـتحکام خستگی، سختی و مقاومت به خوردگی استفاده میشود. با توجه به مشخصات مـورد نیـاز در منبـع تغذیـه و تاثیرات مهم پارامترهاي الکتریکی بر مشخصات سطحی؛ یکی از مهمترین و پیچیدهترین بخشهاي سیـستم نیتراسیون پلاسمایی منبع تغذیه آن است و بسیاري از پیـشرفتهـاي حاصـل شـده در کارآمـدي و سـهولت انجام این فرآیند به دلیل همکاري متخصصان علم مواد و مهندسی برق در این زمینه اسـت. در ایـن تحقیـق، ابتدا پارامترهاي موثردر فرآیند نیتراسـیون پلاسـمایی از لحـاظ الکتریکـی بررسـی شـده و سـپس طراحـی و ساخت یک منبع تغذیه پالسی 10 کیلو واتی (با توجه به نیازهاي نیمه صنعتی و همراه با کنترل بهتـر فرآینـد) انجام گرفته است. طراحی و ساخت این تغذیه بـه گونـهاي اسـت کـه کـاربري آن بـه یـک فرآینـد خـاص محدود نبوده و در بسیاري از فرآیندهاي پلاسمایی جدید نیز کاربري دارد. بدیهی است تحقیق و توسـعه در مورد فرآیندهاي پلاسمایی و تاثیر هر یک از پارامترها بر محصول نهایی نیاز به بررسی و مطالعـات بیـشتري دارد.
مقدمه
فرآیند نیتراسیون پلاسمایی از جمله فرایندهاي عملیات حرارتی ترموشیمیایی مـیباشـد کـه در دمـاي پـائین روي قطعات، انجام شده و موجب بهبود خواص سطحی قطعـات نظیرافـزایش مقاومـت بـه سـایش، کـاهش ضریب اصطکاك، بهبود مقاومت به خستگی و ایجاد سختی سطحی بالا میگردد1]و.[2 عملیات نیتراسـیون پلاسمایی در کوره خلاء و در شرایط ایجاد و تخلیه، در اطراف قطعات انجام شده که موجب نفوذ نیتـروژن به سطح قطعات میگردد4]،3و.[5 یکی از بزرگترین مشکلاتی که در گذشته به علت استفاده از منابع تغذیـه
DC وجود داشت، ایجاد جرقه و رانش جریان بود که موجب میشد تا قطعه به سرعت ذوب شـده و از بـین برود.[6] با کنترل پارامترهاي مختلف منبع تغذیه، میتوان از فرآیند نیتراسـیون پلاسـمایی بـراي کاربردهـاي قطعات خاص، طراحیهاي دقیق و کاهش هزینهها استفاده کرد .[7] استفاده از منابع تغذیه DC مـانع کنتـرل دقیق توان اعمالی و در نتیجه کنترل دماي قطعه میگردد، چرا که نمـیتـوان بـراي کـاهش دمـا، کـل ولتـاژ اعمالی را از حد معینی کمتر یا بیـشتر کـرد. همچنـین در هنگـام جرقـههـا، منبـع حـدود چنـد ده میلـی ثانیـه خاموش میشود که در نتیجه پلاسماي ایجاد شدهکاملاً پایـدار نخواهـد بـود. اگـر ولتـاژ پلاسـما در زمـانی کمتر از یک میلی ثانیه قطع و وصل شود باعث قطع پلاسما نخواهد شد، در غیر اینصورت پلاسـما بـصورت ضربانی خواهد بود و باعث تغییرات ناخواسته در فازها و عدم کنترل لایه سطحی میشود.[8]
در صورت استفاده از منبـع پالـسی بـا کنتـرل زمـان خـاموش بـه روشـن بـه روش Duty cycle و فرکـانس، می توان توان اعمـالی بـه قطعـه را در یـک ولتـاژ مـشخص کنتـرل کـرد. البتـه منبـع تغذیـه و سیـستم Arc Detection باید بتواند در زمانی کوتاه افزایش جریان را تشخیص داده و کنترل نماید.[9]
روش تحقیق
در ابتدا مشخـصات و خـصوصیت هـاي لازم منبـع تغذیـه مـشخص شـد. سـپس نحـوه سـاخت پـالس هـاي خروجی، از طریق ولتاژ مستقیم تغذیه و انـواع سـوئیچ هـاي قـدرت شناسـایی شـد. دیودهـا و تریـستورهاي مناسب تعیین شدند. پالس هاي لازم جهت سیستم نیتراسیون پلاسمایی طراحی شد. بلـوك دیـاگرام سیـستم هدف ارائه شد. بلوك ها و قطعات مورد نیــاز براي ساخت سیستم انتخاب شـدند. منبع تغذیه DC، سیـستم هاي کنترلی مورد نیاز و سوئیچ خروجی ساخته شدند و قابلیت هر کدام مورد ارزیابی قرار گرفت. مشخص شد در صورتی که کوره به عنوان یک جعبه سیاه در نظر گرفته شود می توان آن را بـا المـان هـاي اکتیـو و پسیو مداري شبیه سازي کرد که در طراحی منبع تغذیه و تعیین پارامترهاي مهـم آن تـاثیر بـسزایی دارد. امـا متاسفانه بدلیل اینکه مدل سازي کوره وابسته به پارامترهاي مختلفی از جمله شـکل قطعـات (شـکل کاتـد)،
فاصله کاتد و آند و فشار گازهاي درون کوره می باشد امکان این شبیه سازي بـراي همـه حـالات مختلـف وجود ندارد. ضمن اینکه براي لامپ هاي خاص که شرایط ثابتی هـم دارنـد مـدلی کـه در مراجـع مختلـف
ارائه شده است بسیار پیچیده می باشد 10]و.[11 بلوك دیاگرام پیشنهادي سیستم و جزئیـات آن در شـکل به طور کامل نشان داده شده است.
نتایج و بحث
پارامـترهاي قابل تنظیم فرآیند به کمک منبع تغذیه عبارتند از: دامنه ولتاژ اعمالی، فرکانس پالسهـا، نـسبت زمان روشن به خاموش بودن پالسها (Duty cycle) و میزان توان اعمالی.
-3-1 دامنه ولتاژ
کنترل دامنه ولتاژ پالس ها در تنظیم توان اعمالی به کوره تاثیر مستقیم دارد. البته با توجـه بـه فاصـله کاتـد و آند و شکل قطعات، محدوده ولتاژ از حدود 500 ولت شروع می شود معمولاًو تا 900 ولت در کوره هـاي صنعتی تغییر می کند، که در منبع تغذیه ساخته شده نیز بر حـسب ابعـاد قطعـه ایـن ولتـاژ قابـل تغییـر اسـت.
ممکن اسـت میزان ولتاژ در سیستم هاي آزمایـشـگاهی کهمـعمولاً از قـطـعات کوچکی استفاده می کننـد تا 2500 ولت نیز برسد. فرآیند نیتراسیون در حداقل ولتاژ لازم براي تشکیل پلاسـما، قابـل انجـام اسـت و بـا افزایش ولتاژ فقط توان اعمالی و سرعت نیتراسیون (دانسیته یون ها) تغییر می کند کهمعمـولاً ایـن ولتـاژ در حدود 750 ولت نگه داشته می شود (به شکل 2 مراجعه شود.).
-3-2 فرکانس
بین کاتد و آند کوره، در شرایط مختلف ابعاد، دما و فشار، خواص سلفی و خازنی متفاوتی بروز مـی کنـد.
تنظیم فرکانس پالس ها باعث می شود در یک فرکانس خاص (فرکانس رزونـانس) تـوان جـذب شـده در کوره با وجود ثابت بودن سایر پارامترها به حداکثر مقدار خود برسد.
بعنوان مثال فولاد AISI- 4340 کـه داراي عناصـر Ni-Cr-Mo مـی باشـد، در حالـت عـادي داراي سـختی HV202 می باشد. با انجـام نیتراسـیون در شـرایط یکـسان و فرکـانس هـاي متفـاوت KHz5 و KHz15 بـه ترتیب سختی Hv702 و Hv742 بدست آمد که در جدول شماره 1 مشاهده می شود.
البته علاوه بر تاثیر بر سختی سطحی با افزایش فرکانس می توان عمق نفوذ لایه سطحی را نیز کنترل کـرد و به کمک آن از ایجاد فازهاي مختلف و حالتتُردي جلوگیري نمـود. نتـایج انـدازه گیـري ضـخامت لایـه سطحی روي فولاد نیتراته شده AISI- 4340 در فرکـانس هـاي KHz5 و KHz15 نـشان داد کـه ضـخامت لایه با افزایش فرکانس از µ7/6 به µ3/13 افزایش یافته است. در منبع تغذیه ساخته شده به علـت اسـتفاده از سوئیچ هاي سریع، فرکانس از حدود Hz100 تا KHz 150 قابل تغییر می باشد.
220 طراحی و ساخت منبع تغذیه پالسی براي سیستم نیتراسیون پلاسمایی
Duty cycle -3-3
با کنترل زمان روشن و خاموش شدن پالس هاي اعمال شـده بـه بـارمعمـولاً تـوان و در نتیجـه دمـاي قطعـه کنترل می شود. با تنظیم این پارامتر می توان دما را در حدود 500 درجه سانتی گراد ثابت نگه داشـت و در قطعات حساس از ایجاد تنش بر اثر دماي بالا جلوگیري نمود.
تنظیم این پارامتر در قطعاتی که داراي خلل و فرج روي سطح خود هستند باعث می شود تا نفوذ نیتراسـیون به داخل شکاف ها کنترل شود. در منبع تغذیه ساخته شده Duty cycle از %10 تا %90 قابل تنظیم است.
-3-4 کنترل توان
با توجه به اینکهمعمولاً چه در حالت اسپاترینگ (با استفاده از گاز آرگون به منظور تمیز کردن قطعه) و چه در حالت نیتراسیون دامنه ولتاژ پالس ها ثابت است و تغییر Duty cycle براي کنترل توان بـه دلیـل تغییـرات در کیفیت پارامترهاي سطحی در محدوده کمی قابل انجام است، لـذا از کنتـرل جریـان جهـت تنظـیم تـوان استفاده می شود.
ارزیابی مقدار جریان باعث می شود که علاوه بر کنترل توان، پدیده رانش جریان نیز رخ ندهـد. در سیـستم هاي قبلی از یک مقاومت ساده سري شده با کوره استفاده می شد که با افـزایش جریـان ولتـاژ بـین کاتـد و آند کاهش می یافت و از ایجاد جرقه جلوگیري می شد که متاسفانه این روش در عین سادگی و کم هزینه بودن باعث خرابی در کیفیت لایه هاي سطحی می شود. در روش جدید با کنترل جریان پالـسر بـه صـورت لحظه اي، توان اعمال شده به کورهدائماً تحت نظارت قرار گرفته و سرعت پاسخ به افزایش شـدید جریـان در اثر شروع گذار از حالت Abnormal glow به Arc در حدود چند میکرو ثانیه است.
در سیستم طراحی شده در صورت رانش لحظه اي جریان بدون توجه به Duty cycle تنظیم شده، پالس هـا براي مدت قابل تنظیم تا µs1000 قطع شده و از ایجاد جرقه بدون قطع شدن فرآینـد پلاسـما جلـوگیري بـه عمل می آید. همچنین در صورتی که رانش جریان به مدت طولانی تـري ادامـه داشـته باشـد بـا اسـتفاده از مکانیزم دیگري فرآیند متوقف شده و باید جهت رفع عیب و بهینـه سـازي چیـنش قطعـات در کـوره اقـدام شود تا به منبع تغذیه آسیبی نرسد. اگرچه تنظیم پارامترهاي ذکر شده از مزیت هاي سیستم پالسی نـسبت بـه
DC می باشد اما همچنان محدودیت هایی در هر دو سیستم وجود دارد.
در هر دو این سیستم ها قطعاتی که عملیات سطحی روي آنها انجام می شود در کاتد با ولتـاژ منفـی بـالایی قرار می گیرند و پلاسمامستقیماً روي سطح قطعات تشکیل و باعث گرم شدن قطعات و ایجـاد لایـه نیتراتـه می شود. گرچه این روش براي قطعات ساده و بارهاي کوچک مناسب است اما داراي مشکلاتی اسـت کـه برخی نیازها را برآورده نمی کند، از جمله این مشکلات گرم نشدن یکنواخت قطعات بدلیل شکل متفـاوت آنها، یکنواخت نشدن عملیات سطحی بدلیل شدید بودن میدان ها در لبه هاي اجسام، عدم امکان پـر کـردن کوره به خاطر یکنواخت شدن کاتد و مشکلات در عملیات روي قطعات کوچک به تعداد زیاد، می باشـد.
براي حل این مشکلات از روش پنجره فعال (Active Screen) استفاده می شود. در این روش که در شکل
3 دیده می شود یک قفس فلزي توري شکل بعنوان کاتد پیرامون قطعات قرار داده مـی شـود و تغذیـه بـین بدنه و این قفس فلزي اعمال می گردد. قطعات و سینی حامل آنها به صورت شـناور رهـا شـده یـا بـه ولتـاژ منفی کمی متصل می شوند. پلاسماي شکل گرفته بین بدنه و تـوري حامـل الکتـرون هـا، یــون هـا و سـایر ذرات فعال است که با عـبور از لابه لاي منافـذ تـوري بر سطح قـطعات تاثـیـر مـی گـذارد. بـه دلیـل اینکـه پلاسما روي سطح قطعات تشکیل نمی شود، رانش حرارتی و اثر لبه اي مخرب نیستند و می توان قطعات با شکل هاي پیچیده و تعداد زیاد و اندازه هاي مختلف را به صورت یکنواختی در پروسـه قـرار داد. همچنـین امکان انجام عملیات سطحی روي قطعات عایق نظیر پلیمرها و سرامیک ها نیز وجـود دارد. بـه دلیـل فاصـله نزدیک بین آند و کاتد، ولتاژ لازم براي ایجاد پلاسما نسبت به حالت هاي قبل کم تر است و می توان توان اعمالی به کوره را به نحو چشمگیري افزایش داد. منبع تغذیه لازم براي این سیـستم بایـد تـا فرکـانس هـاي بالاتر تا حدود KHz30 پالس ها را ایجاد نماید و همچنین داراي توان بیشتري باشد. به کمـک ایـن روش و با ترکیب خاصی از گازهاي نیتروژن، هیدروژن و آرگون می توان عملیات حرارتی را در سـوراخ هـایی بـا دهانه mm1/0 انجام داد. اگرچه پیچیدگی هـاي منبـع تغذیـه بـراي سیـستم تـشخیص Arc و کنتـرل Duty cycle در این روش کم تر است اما به خاطر دسـتیابی بـه فرکـانس زیـاد سـوئیچینگ بایـد از سـوئیچ هـاي الکترونیکی سریع با توان بالا استفاده کرد. در منبع تغـذیه ساخته شده از سوئیچ هاي IGBT ولتاژ بالا، زمان (tr=50 ns (rise time و (td=360 ns (delay time استفاده شد که به راحتی تا فرکانس KHz100 قابلیت سوئیچینگ خواهد داشت.
