книги / Плазменная химико-термическая обработка

Рис. 1.7. Ярусная загрузка деталей в камере с «горячими» стенками установки фирмы «Ионитех»

Рис. 1.8. Установка ионного азотирования с «горячими» стенкаминагревателями, расположенными внутри вакуумной обечайки (установка совместного производства ООО «СНТ» и ФТИ НАН)

31

а

б

Рис. 1.9. Вакуумныекамерыустановоквысокотемпературнойобработки: а– безвстроенноговентилятора; б– свстроеннымвентилятором

32

Газовая среда для проведения процесса ионной цементации содержит инертные и активные газы, например смесь аргона, метана (либо пропана), водорода и азота. Углерод доставляется к поверхности изделий посредством ее бомбардировки атомами и ионами углерода, образовавшимися из молекул углеводородов в катодной области тлеющего разряда, а также радикалами СН, которые также образуются в разряде при диссоциации молекул углеродсодержащего газа [49].

Процесс насыщения состоит из двух стадий:

1)активного периода, когда содержание углерода на поверхности достигает 1,3–1,4 % за счет подачи в камеру установки углеродсодержащего газа;

2)диффузионного периода – выдержки в течение некоторого времени без подачи в камеру установки углеродсодержащего газа. В этот период концентрация углерода на поверхности снижается до 0,8–0,9 % при одновременном увеличении глубины слоя.

Технологическая схема проведения процесса ионной цементации на установке промышленного типа состоит из следующих циклов:

1. После загрузки камеры обрабатываемыми деталями проводится ее вакуумирование до определенного заданного давления, например, 20–30 Па. Одновременно подается электропитание на нагреватель камеры и начинается разогрев муфеля и, соответственно, деталей садки. Затем, при достижении садкой температуры (например, 200–300 ºC), зажигается тлеющий разряд, и разогрев проводитсячастицамиразрядаиизлучениемотстенокмуфеля.

2. Нагрев до температуры изотермической выдержки 930 ºC может длиться в течение 4–6 ч в зависимости от массы садки, мощности нагревателя и мощности плазмогенератора.

3. При достижении деталями температуры, при которой проводится изотермическая выдержка, мощность нагревателя снижается до уровня 40–50 % от номинальной. Мощность тлеющего разряда автоматически поддерживается на таком уровне, чтобы обеспечивался температурный режим выдержки. Диффузионное

33

насыщение углеродом может длиться в течение 5–16 ч в зависимости от необходимой глубины слоя.

4.Охлаждение деталей в камере до температуры 700 ºC в течение 2–2,5 ч. Затем возможно ускоренное охлаждение в среде азота до температуры 200 ºC за 3,5–4 ч.

5.Разгрузка камеры и формирование новой садки.

Закалка деталей после насыщения углеродом должна проводиться с их повторного нагрева.

При цементации мерой интенсивности внешнего массопереноса служит коэффициент массопереноса р, который в условиях ионной цементации может достигать рекордных значений: (350– 450)·105г/(см2ч) вместо (45–60)·105г/(см2ч) для газовой цементации в шахтных печах.

Если обрабатываемые детали можно подвергать закалке с подсуживанием, то при ионной цементации преимущественно применяют двухкамерные установки, состоящие из цементационной и закалочной камер. Обработка деталей проводится по различным технологическим вариантам и завершается непосредственной закалкой в масле или в потоке инертного газа. Низкий расход газов, электроэнергии и непродолжительное время обработки приводят к снижению производственных затрат в 4–5 раз по сравнению с традиционнойтехнологиейцементациивкамерныхпечах.

1.3. Конструктивные особенности оборудования для плазменной ХТО – ионного азотирования и ионной цементации

Как было рассмотрено ранее, установки ионного азотирования состоят из следующих основных функциональных систем: вакуумной камеры, оснащенной узлом катодного токоввода; вакуумной системы; электрического блока питания плазмы тлеющего разряда с дугогашением; блока подачи рабочих газов; системы контроля и управления [31, 35].

Первые промышленные установки ионного азотирования были созданы фирмой Klockner-Ionon (Германия) в середине 60-х годов

34

XX века. Схема установки для обработки в тлеющем разряде пока-

зананарис. 1.10 [31].

Рис. 1.10. Принципиальная схема установки для реализации ионноплазменного азотирования: 1 – вакуумная камера с деталями 6; 2 – блок питания; 3 – микропроцессорный блок управления технологическим процессом; 4 – система газообеспечения для подготовки и подачи необходимых газовых смесей; 5 – система откачки для создания и поддержания в процессе обработки деталей необходимого разряжения

Загружаемая в рабочую камеру садка деталей является катодом, а стенка камеры – анодом. Размеры и форма вакуумной камеры согласуются с соответствующими параметрами обрабатываемых деталей – длиной, диаметром либо длиной, шириной, высотой. Современное оборудование для ионного азотирования имеет различные типы вакуумных камер: шахтные, колпаковые, камерные и комбинированные.

При эксплуатации установок ионного азотирования с камерами колпакового типа для снятия колпака с основания камеры используются либо цеховые кран-балки соответствующей грузоподъемности (рис. 1.11), либо автономный подъемник, которым может быть оснащена установка (рис. 1.12).

35

Рис. 1.11. Перемещение колпаков камер с помощью цеховой кран-балки (из-за небольшой высоты подъема кран-балки камеры стоят в приямке глубиной 1 м)

а

б

Рис. 1.12. Камеры с автономным подъемником: а – производство фирмы «Ионитех»; б – производство фирмы Plateg

36

Колпаковые камеры предназначены для обработки деталей, которые непосредственно загружаются на катод. Это шестерни, вал-шестерни, штампы и т.д. В колпаковой камере детали преимущественно обрабатывают в вертикальном положении. При обработке больших серий деталей обычно применяются сменные загрузочные приспособления.

Комбинированные камеры, состоящие из колпака и промежуточного цилиндра-вставки, применяются в случае часто меняющихся геометрических размеров обрабатываемых деталей и способа их загрузки в камеру – укладки на катод-рабочий стол или загрузки в подвешенном положении (рис. 1.13, 1.14). Следует отметить, что путем использования дополнительных корпусных секций можно значительно варьировать высоту камеры и тем самым длину обрабатываемых изделий.

Полезный диаметр в камерах комбинированного типа (размеры рабочего пространства) составляет от нескольких дециметров до 2000 мм, высота– от750 до 7500 мм. Оснастка, размещаемаявнутри камеры, определяетсяконфигурациейупрочняемыхизделий.

Рис. 1.13. Комбинированная камера-трансформер с вставкой-цилиндром, который используется при обработке

длинномерных деталей; рабочее пространство: диаметр 960 мм, высота 1450 либо 2200 мм; масса садки до 2000 кг

37

Рис. 1.14. Комбинированная камера-трансформер с промежуточным цилиндром-вставкой; рабочее пространство: диаметр 960 мм, высота 1450 либо 3000 мм, масса садки до 2500 кг

Рис. 1.15. Горловина шахтной камеры, рабочее пространство: диаметр 900 мм, глубина 3500 мм

38

Рис. 1.16. Загрузка коленчатых валов в камеру шахтного типа двухкамерной установки

В комбинированных камерах (см. рис. 1.13, 1.14) детали могут либоподвешиваться, либоустанавливатьсянаоснование[31, 35].

Шахтные камеры рассчитаны на обработку длинномерных деталей, таких как шнеки, цилиндры, валы и т.д., но могут быть использованы и для обработки серий деталей при оснащении камер сменными загрузочными приспособлениями (рис. 1.15, 1.16).

1.3.1. Вакуумные системы установок ионного азотирования

Вакуумная система установок ионного азотирования состоит из форвакуумного насоса (золотникового либо пластинчатороторного) либо откачного агрегата (последовательно соединённые форвакуумный насос и двухроторныйнасос), вакуумной магистрали и соответствующих клапанов (электромагнитных либо электроп-

39

невматических). Время первичной откачки камеры зависит от производительности откачного агрегата (насоса), длины вакуумной магистрали и ее диаметра и от объема вакуумной камеры установки. Как правило, время первичной откачки занимает порядка 10–40 мин в зависимости от объема вакуумной камеры и величины эффективной скорости откачки системы «насос-магистраль». Для изменения давления в камере варьируется производительность откачной системы (если такая возможность имеется) либо изменяется расход газовойсмеси, используемой дляазотирования.

В течение всего процесса азотирования давление регулируется путем поддержания необходимого расхода азотсодержащего газа. Для получения газовой среды, в которой проводится азотирование, смешивают соответствующие баллонные газы либо подводят смесь из специальных газосмесительных установок. Расход газа составляет несколько литров (или десятков литров) в час, вследствие чего нет необходимости в специальных газгольдерах. Простым способом получения смеси, состоящей из 25 % N2 и 75 % Н2, является диссоциация аммиака в печи для крекинга при 1000 °С. Также могут использоватьсябаллонныеазотиводород[31, 34, 35].

Для создания тлеющего разряда вокруг поверхности детали можно использовать постоянный и переменный (либо пульсирующий) ток. При использовании постоянного тока во избежание дугового разряда необходима система аварийного отключения. Мощность блоков питания рассчитывается в соответствии с габаритами рабочего пространства камер и в настоящее время состав-

ляет от 20 до 450 кВт [31, 34, 35].

Блок управления осуществляет регулировку и контроль за всем процессом плазменного азотирования. С помощью термопар или специальных оптических пирометров регулируется температура деталей. С помощью давления в печи регулируется ширина светящейся зоны. Подлежит изменению и состав газовой смеси в плазме. Все более широкое применение, благодаря хорошей воспроизводимости результатов обработки, находят современные установки плазменного азотирования с микропроцессорными системами управления.

40