книги / Плазменная химико-термическая обработка

Технологическими факторами, влияющими на эффективность ионного азотирования, являются: температура процесса, продолжительность насыщения, давление, состав и расход рабочей газовой смеси. На установках ионного азотирования можно проводить как азотирование, так и карбонитрирование. Для этого в состав рабочей смеси газов дополнительно вводят углеродсодержащий газ: метан, ацетилен или пропан-бутан.

1.3.2. Технические характеристики установок различных производителей

В настоящее время на предприятиях России, Беларуси, Украины, Казахстана, а также Европы, США и других стран эксплуатируются установки ионного азотирования производства фирм PlaTeG и «Эльтро» (Германия), фирмы «Ионитех» (Болгария), Бразилии и установки производства ФТИ НАН Беларуси. Поэтому целесообразно более подробно рассмотреть их технические и технологические параметры [38–45].

Параметры установок немецкой фирмы «Эльтро» [38, 39] приведены в табл. 1.1, 1.2, технические характеристики оборудования, производимого в Бразилии, Болгарии и Беларуси – в табл. 1.4–1.6 [40, 42, 43, 45].

Установка фирмы «Эльтро» с камерой колпакового типа комплектно состоит из следующих систем:

–термоизолирующая печь (реципиент) с устройством автоматического подъема и поворота колпака и основания, смонтированного на раме;

–вакуумная система в комплекте с системой автоматического регулирования давления;

–система обеспечения газом в комплекте с разъемом подключения к компьютеру, магнитными клапанами, клапаном продувки инертнымгазом, контактамиподключениярасходомеровгазов;

–системой энергоснабжения и управления с защитой против холостой работы и коротких замыканий, со всеми устройствами, необходимыми для разряда;

41

–оснастка для загрузки садки;

–программа обработки для двух видов материала, применяемых заказчиком, при условии предоставления всех необходимых образцовиданныхсуказанием желаемыхконечных параметров.

Таблица 1.1

Установки плазменного азотирования фирмы «Эльтро» (колпаковые печи)

	Параметр				Основные типы
		Н60/100		Н75/100		Н90/200		Н160/200			Н180/225
	Габаритныеразмерыреципиента	600,			750,		900,			1600,		1800,
	(термоизолированнойпечи), мм	Н1000			Н1000		Н2000			Н2000		Н2250
	Максимальный вес садки, кг	1000		1000		2200				3500		4000
	Тип загрузки					Вертикальный
	Подводимая мощность, кВА	50		85		170				600		1300
	Частота питающей сети, Гц						50/3 фазы
	Количество рабочих газов		4 (водород, азот, метан, аргон),
					качество газов 99,999 %
	Максимальный расход газов	50			50		200			200		200
	(Н2,N2, Ar), л/ч
	Расход воды в системе	Неменее			Неменее		Неменее			23		23
	охлаждения, л/мин	5			5		5
	Требования к магистральному						4–6
	сжатому воздуху, бар
	Габаритные размеры установки,
	включая шкафы, мм
	глубина	1655			2200		2500			3500		4000
	ширина	2780			2900		3300			5600		6500
	высота (с поднятым колпаком)	2400			2700		3800			4300		4600
		(3400)			(4200)		(6100)			(6400)		(6900)
	Общая масса установки, кг	2400			2500		4500			5000		5500

Вместе с установкой потребителям предлагаются дополнительные опции: сдвоенный поддон, генераторы для выработки азота и водорода, система ускоренного охлаждения садки, внутренний теплообменник, устройство для оксидирования, автоматизация загрузки/разгрузки при массовом производстве, специализированные оснастка и мойка и т.п.

42

Таблица 1.2

Установки плазменного азотирования фирмы «Эльтро» (шахтные печи)

	Параметр			Основные типы
		S105/200		S120/200	S140/225	S160/225	S180/225
	Габаритныеразмерыреципиента	Ø1050,		Ø1200,	Ø1400,	Ø1600,		Ø1800
	(термоизолированнойпечи), мм	H2000		H2000	H2250	H2250	H2250
	Тип загрузки				Вертикальный
	Подводимая мощность, кВА	170		170	240	600		1300
	Частота питающей сети, Гц				50/3 фазы
	Число зон нагрева	4		6	6	6		6
	Количество рабочих газов		4	(водород	, азот, метан, аргон),
				качество газов 99,999 %
	Максимальный расход газов	50		50	200	200		200
	(H2, N2, Ar), л/ч
	Расход воды в системе	Неменее		Неменее	Неменее	~23		~23
	охлаждения л/мин	5		5	5
	Требования к магистральному				4–6
	сжатому воздух, бар
	Габаритные размеры установки,
	включая шкафы, мм
	глубина	2500		2500	3500	4000		4000
	ширина	3300		3300	5600	6500		6500
	высота с поднятой крышкой	2200		2200	2500	2500		2500
	Общая масса установки, кг	4000		4000	4500	5000		5000

Для загрузки и разгрузки колпаковой печи колпак автоматически поднимается вверх и поворачивается. Садка доступна со всех сторон, и детали можно укладывать и снимать просто руками или с помощью крана. Поскольку подготовка садки может занимать много времени и часто бывает целесообразно производить загрузку в печь заранее подготовленную садку, колпаковая печь была усовершенствована посредством использования двойного поддона. Если на одном поддоне производится термообработка, то на другом может готовиться новая садка. Поскольку колпак по окончании процесса может автоматически переводиться на другой под, то использование такой установки возможно в течение всех 24 часов. Подобным вариантом являются и тандемные печи (печи с двумя камерами, последовательно подключае-

43

мыми к одному источнику питания). Чтобы избежать коробления при обработке длинных и тонких деталей, их целесообразно подвешивать. Для таких деталей лучше всего подходят шахтные печи. При недостаточной высоте цеха их можно заглубить ниже уровня пола, какэтопоказанонарис. 1.11, 1.15, 1.16.

				Таблица 1.3
	Типы установок фирмы «Эльтро» и их оценка
	Параметр		Типы печей
		Шахтная	Колпаковая	Горизонтальная
	Диаметр	++	++	+
	Длина/глубина	+	+	0
	Способность	++	+	0
	к встраиванию
	Загружаемость	0	++	+
	Внутренний транспорт для деталей	+	++	0
	Мелкие детали	0	++	0
	Крупные детали	+	++	0
	Длинные детали	++	+	0
	Тяжёлые детали	+	++	0
	Потребность в площади	++	+	0

Примечание: ++ очень хорошо; + хорошо; 0 менее хорошо.

Преимущества и недостатки колпаковых и шахтных печей по версии фирмы «Эльтро», представлены в табл. 1.3 [38, 39]. Для сравнения, печи горизонтальной конструкции, которые практически применяются в качестве плазменных установок довольно редко, здесь также учтены.

Установки ионного азотирования фирмы PlaTeG имеют схожие характеристики по размерам рабочего пространства, конструктивному исполнению, энергетическим характеристикам. Пример камерной установки этой фирмы на рис. 1.17.

Производство установок ионного азотирования с камерами, имеющими так называемые «холодные» стенки, освоено и в Бра-

зилии (табл. 1.4) [40].

Наибольшее распространение на предприятиях России получили установки болгарской фирмы «ЕФТТОМ-ЙОН» (в на-

44

стоящее время – фирма «ИОНИТЕХ»). Их характеристики приведены в табл. 1.5.

Рис. 1.17. Камерная установка фирмы PlaTeG для обработки штампов кузова автомобиля с единичной загрузкой до 40 т

Таблица 1.4 Модельный ряд установок, производимых в Бразилии [40]

Мощ-	Им-
	пульс-	Размеры рабочего пространства, мм
ность	ный ток
40 кВА	100А	Ø 770×600
	200А	Ø 770×600+400
	200 А	Ø 770×600+400
		Ø 770×900
80 кВА	300 А	Ø700×900+400
		Ø700×900+600
	400 А	Ø700×900+600+400	Ø1200×900
		Ø700×2000
160 кВА	500А	Ø700×2000+400	Ø1200×900+600
		Ø700×900+600	Ø1200×900+900
		Ø700×900+400+600	Ø1200×2000
			Ø1200×2000
240 кВА	500А	Ø700×2000+2000+600			Ø2000×700
			Ø1200×2000+600
	1000А	Ø700×2000+900+600	Ø1200×2000+900+600		Ø2000×2000
320кВА	1000А				Ø2000×2000
					Ø2000×2000+700
	2000А				Ø2000×2000+700+700

45

46

Таблица 1.5

Технические характеристики установок для ионного азотирования, выпускаемых в Болгарии фирмой «ЕФТТОМ-ЙОН» (в настоящее время – фирма «ИОНИТЕХ») [42, 45]

46

Для всех установок болгарского производства максимальное напряжение тлеющего разряда 800 В, рабочее давление газов 100–800 Па, максимальный расход рабочих газов 20 л/ч на 1 м3 объема камеры, рабочие газы: аммиак, азот, водород, метан, аргон. В установках используется один вакуумный насос, и для изменения давления необходимо изменять расход газа либо производительность откачной магистрали.

В Беларуси также освоено производство нескольких типов установок ионного азотирования (см. табл. 1.6) [43, 46, 48].

Рабочими газами являются: аргон, азот, водород и метан (при необходимости):

–азот газообразный по ГОСТ 9293-74, сорт первый, повышенной чистоты (баллонный);

–аргон газообразный по ГОСТ10157-79, высший сорт (баллонный);

–водород технический марки А по ГОСТ3022-80 (автономно из генератора водорода-электролизера, встроенного в шкаф управления);

–метан ВЧ по ТУ 51-841-87 баллонный или из производственной магистрали (при необходимости).

						Таблица 1.6
	Технические характеристики установок для ионного
		азотирования, выпускаемых в Беларуси
	Тип	Максималь-	Размеры рабочего		Максимальная	Максимальный
		ная мощ-	пространства, мм		масса садки,	расход
	установки	ность разря-				рабочих
			Диаметр	Высота	кг
		да, кВт				газов, л/ч
	УА-25	18	400	380	100	20
			550	800	300	30
	УА-40	30	750	1000	800	50
			950	1250	1000
	УА-63		950	1800	1500
		45	950	2200	1800	80
			950	1450/3000	2000
			1150	1400	2000
	УА-100		950	3500 – шахтная	2500
		60	1400	2000	2500	100
			2000	1450	3000

47

Охлаждение рабочей камеры – водяное, принудительное, в замкнутом цикле с доливом холодной воды из цеховой магистрали оборотно-хозяйственной или питьевой воды, или из холодильной машины – чиллера.

Откачная система установки реализована на базе агрегата – двух последовательно соединенных насосов типа АВЗ-20Д (или аналогичного по производительности пластинчато-роторного отечественного производства, или импортного) и ДВН-50 (НВД-200) или ДВН-150 (НВД-600).

Измерение температуры деталей осуществляется посредством хромель-алюмелевой термопары. Количество термопар в камере – одна или две в зависимости от высоты загрузки садки.

Управление работой установки и контроль за ходом процесса обработки осуществляется автоматически по заданной программе посредством широко используемого специализированного контроллера Mitsubishi серии FX с панелью оператора Mitsubishi серии GОT1000, которые встроены в шкаф управления [50].

Все этапы работы установки (вакуумирование камеры, разогрев садки, выдержка и остуживание) автоматизированы. Переход от одного шага (сегмента) процесса к другому осуществляется либо по истечении заданного интервала времени (на выдержке), либо по достижении определенного заданного значения некоторого параметратемпературыилидавления(настадииразогревасадки).

При обработке постоянных садок деталей режим обработки выбирается автоматически, в зависимости от типа и количества загруженных деталей.

В ходе технологического процесса на установке осуществляется контроль следующих параметров, которые отображаются на дисплее в виде графического протокола процесса:

–рабочее давление;

–температура садки;

–расход рабочих газов;

–напряжение и ток разряда;

–частота напряжения питающего электричества двухроторного насоса.

48

Графический протокол процесса и его хода (время запуска, старт каждого шага, сообщения о неполадках и т.д.) сохраняется с возможностью его просмотра и распечатки на принтере.

Программа процесса может быть изменена на любой стадии процесса после ввода кодового слова.

Программируются:

–количество шагов (сегментов) на стадии разогрева и стадии выдержки;

–длительность каждого шага;

–давление;

–расход каждого из используемых газов;

–температура садки;

–скважность импульсов напряжения;

–скорость разогрева (на стадии разогрева садки);

–частота напряжения питающего электродвигателя насоса ДВН (при необходимости);

–граничные значения тока и напряжения на каждом шаге. Кроме того, контролируется состояние установки (наличие

газов, воды в генераторе водорода, охлаждающей воды, короткого замыкания в камере, охлаждение шкафа управления и др.). В случае неполадок подается световой и звуковой сигналы, а также текстовое сообщение на экране панели контроллера. В случае несвоевременного принятия мер по устранению неполадок либо при возникновении аварийной ситуации обеспечивается безаварийный выход из режима обработки на любом этапе процесса. После устранения нештатной ситуации обеспечивается выход в режим, предшествовавший аварийному отключению, и далее обработка продолжается в заданном режиме.

1.3.3.Сравнительный анализ работы установок

скамерами различного исполнения

Технические характеристики установок ионного азотирования различных производителей показывают, что по параметру «подводимая мощность» имеются существенные отличия от пе-

49

чей для газового азотирования с аналогичными размерами рабочего пространства [51–53]. При этом установки ионного азотирования имеют значительно лучше характеристики по мощности.

Для оценки энергоэффективности газовой печи для азотирования в работе [52] рекомендуется использовать параметр «удельный расход электроэнергии» (кВт·ч/кг) в зависимости от коэффициента загрузки печи, который определяется, как

D = G/V·γ,

(1.3)

где G – масса садки, кг; V – объем рабочего пространства, м3; γ –

плотность материала обрабатываемых изделий, кг/м3 (для стали

γ = 7850 кг/м3).

Для газовых печей средний коэффициент загрузки находится в интервале D = 0,2…0,3, и для данного диапазона D удельный расход электроэнергии составляет от 0,45 до 0,5 кВт·ч/кг в зависимости от объема рабочего пространства.

Для колпаковых камер установок ионного азотирования за рабочее пространство принимается диаметр катода и высота загрузки. Так, например, для катода диаметром 1,4 м и высотой загрузки 2,0 м объем рабочего пространства

V = 0,785·1,42·2,0 = 3,08 м3.

Для среднего коэффициента загрузки D = 0,25 масса садки G составит порядка 6000 кг. Практически в камеру с такими рабочими размерами на ОАО «БЕЛАЗ» загружают садку зубчатых колес с суммарной массой порядка 3000 кг.

Большинство современных промышленных установок ионного азотирования, как было рассмотрено выше, имеют рабочие камеры с так называемой «холодной» стенкой, охлаждаемой водой. К таким типам относятся камеры установок, выпускавшихся в СССР, Германии в конце прошлого века, а также выпускаемых в настоящее время ФТИ НАНБ, болгарской фирмой «ИОНИТЕХ» и в Бразилии. Разогрев садки в таких установках осуществляется тлеющим разрядом. Мощность разряда, необхо-

50