ИОННО-ПЛАЗМЕННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Ионио-плазмениое устройство для химико-термической обработки металлических изделий
Полезная модель относится к электротехнологии и может быть использована для диффузионной обработки меташлических изделий. К таким технологиям относятся цементация, азотирование, силицирование стальных изделий и др.
Характерной особенностью химико-термической обработки является нагрев изделий до температуры диффузионного насыщения поверхностного слоя и внедрение в него атомов примесного элемента. При цементации примесным элементом или элементом внедрения является углерод, при азотировании - азот, при силицировании - кремний и т.д. При наложении на температурное поле электрического процессы диффузии значительно ускоряются и увеличивается глубина диффузионного слоя. Для создания электри юского поля используется электрический разряд (тлеющий, дуговой или несамостоятельный), создаваемый между катодом-изделием и анодом. Технологический газ - источник внедряемых ионов, подается в межэлектродный промежуток, ионизируется с помощью приложенного электрического поля, и ионы внедрения перемещаются к катоду-изделию, осаждаются на нем и за счет градиента концентрации частиц, градиента температуры и электрического поля диффундируют в поверхностный слой изделия.
Известно устройство для химико-термической обработки металлических изделий /1/, содержащее нагревательную электропечь, в которой размещены обрабатываемые изделии. В печное пространство подается технологический газ с внедряемыми элементами (при цементации - это газы
С23С 8/00
группы СкНп, при азотировании - азотосодержащие газы, например аммиак). При технологических температурах происходит разложение молекул газа на атомы и осаждение внедряемого элемента на поверхность изделия и далее атомы элемента внедрения диффундируют в поверхностный слой.
Недостатком данного устройства является низкая производительность и большой расход технологического газа.
Известно устройство /2/, содержащее технологи шскую камеру низкого давления (доли и единицы паскалей), в которой размещены детали. Между стенкой камеры - анодом и изделиями -катодом создается тлеющий разряд, который нагревает изделия до температуры внедрения и интенсифицирует технологический процесс. Скорость процессов диффузии значительно увеличивается (5-10 раз), по сравнению с /1/, за счет высокой температуры (как и в первом устройстве) и электрофизических сил, создаваемых электрическим полем.
Недостатком устройства является его сложность из-за наличия глубокого вакуума в камере, высокая стоимость и сложность или невозмолшость работы в непрерывном режиме.
Наиболее близким по технической сущности является ионноплазменное устройство для химико-термической обработки металлических
изделий /3/, содержащее цилиндрическую печь проходного типа с электронагревательным резистивным элементом, внутри которой находится полый цилиндрический анод с симметрично расположенным в нем катодомизделием. Анод и катод подсоединены к источнику питания постоянного тока. В межэлектродный промежуток подается технологический газ. Между анодом и катодом создается несамостоятельный разряд при технологических температурах (600 - 1100°С). Нагрев осуществляется электронагреваf
телями резистивного типа. Образованные в разряде ионы внедрения, за счет электрического поля, создаваемого источником питания постоянного тока смещаются к катоду-изделию и осаждаются на его поверхности с образованием атомов. Создается градиент концентрации частиц мелсду поверхностью и глубинными слоями. Далее за счет градиента концентрации частиц при технологических температурах, а также за счет электрофизических сил, создаваемых при протекании тока через разряд и катод-изделие происходит процесс диффузии частиц внедрения в поверхностный слой изделия. Скорость процесса диффузии соответствует скорости диффузии в установках с тлеющим разрядом, однако данное устройство значительно проще и дешевле установок с тлеющим разрядом, так как работает при атмосферном давлении.
К недостаткам устройства следует отнести нагрев глубинных (необрабатываемых) слоев изделия, что ведет к изменению физико-химических свойств глубинных слоев и, кроме того, увеличивает брак продукции из-за тепловых перенапряжений. К недостаткам установки следует таклсе отнести длительное время нагрева межэлектродного блока до технологической температуры, что снижает производительность, так как в установке используются резистивные электронагреватели, обеспечивающие нагрев со скоростью 1-3 °С/с.
Технической задачей полезной модели является повышение производительности устройства и глубины диффузионного слоя.
Поставленная задача рещается тем, что в известгюм ионноплазменном устройстве для химико-термической обработки металлических изделий, содержащим печь проходного типа с электронагревательным элементом, внутри которой находится полый цилиндрический анод с симметрично расположенным в нем катодом-изделием, источник питания постоянного тока, подключенный между анодом и катодом, согласно полезной модели, электронагревательный элемент выполнен в виде индуктора, расположенного в стенке печи, а анод расположен внутри индуктора и в нем имеется хотя бы один продольный разрез
На чертеже фиг.1 изображена предлагаемая ионно-плазменная установка. Она содержит катод-изделие - 1, анод - 2, индуктор - 3, печь проходного типа - 4, межэлектродный зазор - 5, источник питания постоянного тока - 6. Анод содержит продольные разрезы (фиг.2) - 7, заполненные электроизолятором.
Установка работает следующим образом. В межэлектродный промежуток (анод - катод-изделие) подается технологический газ. Для создания несамостоятельного разряда между электродами необходимо электродный блок и газ нагреть до технологической температуры, которая должна быть больше 550 °С - минимальной температуры при которой возбуждается несамостоятельный разряд. Данное условие выполняется, так как технологическая температура или оптимальная температура диффузии элементов внедрения составляет 550 - 1100°С (при цементации, силицировании, титанировании и др. - 950 - 1050 °С, при азотировании - 550 - 650 °С). Нагрев анода и катода-изделия осуществляется индукционными тока, наводимыми электромагнитным полем, создаваемым током, протекающим через индуктор. Для возбуждения индукционных токов в изделие анод должен быть разрезной, что обеспечивает проникновение электромагнитного поля к изделию, согласно теории индукционного нагрева. Конструкция разрезного анода приведена на фиг.2, Анод должен иметь по крайней мере один разрез.
заполненный непроводящим материалом, например жаропрочной керамикой. Согласно теории индукционного нагрева можно подобрать частоту тока индуктора таким образом, что анод и изделие будут нагреваться до заданной одинаковой температуры. Даже при возможном неравенстве температур, ввиду близости электродов (расстояние между ними 4-8 мм) и замкнутого пространства печи происходит выравнивание температур. Между электродами прикладывается напряжение 400 - 1000 В и создается несамостоятельный разряд /4/. Количество образуемых ионов в разряде определяется технологической температурой и напряженностью электрического поля. Среднее значение концентрации заряженных частиц составляет 10° 10 см . Далее, под действием электрического поля ионы перемещаются и осаждаются на катоде-изделии и происходит диффузионное внедрение ионов и атомов элемента внедрения в поверхностный слой изделия за счет градиента концентрации, градиента температуры и направленного движения электрического тока. Кроме того, внедрение ионов, бомбардирующих поверхность изделия, осуществляется за счет их кинетической энергии, приобретаемой в прикатодной области разряда.
Частота тока индуктора составляет 10 - 100 кГц. Если увеличить частоту до десятков МГц, то за счет индукционного нагрева газа можно увеличить концентрацию заряженных частиц в сто раз. При этом интенсивность ионных потоков увеличивается, что ведет к активизации диффузионных процессов.
При наложении высокочастотного электромагнитного поля на ионизированную газовую фазу происходит более интенсивное поглощение металлической поверхностью ионов и атомов материала внедрения. При быстром нагреве, которое возмолсно при индукционном нагреве, создается повышенная концентрация вакансий и сохранение ее в течение длительного времени. Нагрев осуществляется только поверхности изделия, при этом создаются лучшие условия для протекания поверхностных реакций при газовых процессах и для более длительного сохранения активности насыщающей среды.
Таким образом комбинированная химико-термическая обработка, реализованная в данном устройстве позволяет увеличить глубину образуемого диффузионного слоя за меньшее время, по сравнению с установками, описанными в /1 - 3/. Кроме того время нагрева при индукционной обработке значительно меньше (в десятки раз) времени резистивного нагрева и составляет секунды или несколько минут. Таким образом, предлагаемое устройство имеет большую производительность за счет сокращения времени нагрева и обеспечивает интенсификацию диффузионных процессов.
Устройство предназначено для ведения химико-термической обработки металлических изделий при получении диффузионных слоев, например при цементации, азотировании, силицировании и др.
Источники информации, принятые во внимание.
1.Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справочник /Г.В. Борисенок, Л.А. Васильев, Л.Г. Ворошинин и др. 1981. - 424 с.
2.Бабад-Захряпин А.А., Кузнецов Г.Д. Химико-термическая обработка в тлеющем разряде. М.: Атомиздат, 1975. - 175 с.
3.Юхимчук С.А., Ламонов И.М. Восстановление и упрочнение деталей и узлов энергетического оборудования методом ионно-плазменной обработки. М.: Энергоатомиздат, 1966. - 128 с. (прототип).
4. Долбилин Е.В., Чурсин А.Ю. Исследование электрических и технологических характеристик несамостоятельного разряда. - Вестник МЭИ, №1,2000, С.65-69.