Устройство для химико-термической обработки металлических изделий в несамостоятельном разряде

 

Изобретение относится к электротехнике, к области использования электрического разряда для нагрева и химико-термической обработки изделий. Техническим результатом изобретения является повышение производительности и глубины диффузионной обработки, а также снижение расхода электроэнергии. Устройство содержит индукционный нагреватель с помещенным внутри него обрабатываемым изделием, подключенный к преобразователю частоты, систему подачи технологического газа в полость между индуктором и изделием, источник питания постоянного тока, индуктивный и емкостной фильтры, при этом положительный вывод источника питания подключен через индуктивный фильтр к индуктору, а отрицательный вывод - к обрабатываемому изделию. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именной к использованию электрического разряда для нагрева и химико-термической обработки изделий в электромагнитном поле индуктора.

Известно устройство для химико-термической обработки металлических изделий в тлеющем разряде /1/. Оно содержит: технологическую камеру, внутри которой находятся обрабатываемые изделия; систему откачки для создания вакуума в технологической камере; систему подачи в камеру технологического газа; источник питания постоянного тока, выход которого подключен между камерой и обрабатываемыми изделиями.

Недостатком устройства является наличие в технологической камере глубокого вакуума, что значительно удорожает установку и не позволяет вести обработку в непрерывном режиме.

Известно устройство химико-термической обработки металлических изделий в среде несамостоятельного разряда атмосферного давления /2/. Устройство содержит печь проходного типа с резистивными нагревателями, внутри которой размещается полый цилиндрический анод и соосно с ним обрабатываемое изделие. Выход источника питания постоянного тока подключен положительным потенциалом к аноду, а отрицательным - к изделию.

Недостатком данного устройства является снижение производительности процесса за счет длительного времени нагрева изделия до рабочей температуры. Вторым недостатком является сквозной нагрев изделия, что не всегда допустимо по технологическому режиму обработки и ведет к увеличению брака продукции за счет изменения формы изделия при нагреве. Третьим недостатком устройства является высокая инерционность резистивного способа нагрева, что затрудняет управление данным процессом и значительно затрудняет создание градиента температуры в поверхностном слое изделия.

Известно устройство химико-термической обработки /3/ металлических изделий, содержащее индукционный нагреватель с помещенным внутри его обрабатываемым изделием, подключенный к преобразователю частоты, и систему подачи технологического газа в полость, образованную индуктором и изделием.

Нагрев изделия и технологического газа в данном устройстве, а также создание градиентов концентрации внедряемых атомов и температуры, что и определяют диффузионные процессы, осуществляется электромагнитным полем индукционного нагревателя. Технологический газ подается в промежуток между внутренней поверхностью индуктора и изделием.

Недостатками данного устройства является низкая скорость диффузии элементов внедрения, т.е. низкая производительность и малая глубина диффузионного слоя. Кроме того, температура газа ниже температуры поверхности изделия, что также снижает скорость диффузионных процессов.

Технической задачей, решаемой изобретением, является повышение производительности и глубины диффузионной обработки, а также снижение расхода электроэнергии.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном устройстве химико-термической обработки металлических изделий в несамостоятельном разряде, содержащем индукционный нагреватель с помещенным внутри его обрабатываемым изделием, подключенным к преобразователю частоты, систему подачи технологического газа в полость, образованную индуктором и изделием, согласно изобретению дополнительно введены источник питания постоянного тока, индуктивный и емкостной фильтры, при этом положительный вывод источника питания подключен через индуктивный фильтр к индуктору, а отрицательный вывод - к обрабатываемому изделию, а емкостной фильтр включен между выходом преобразователя частоты и индуктором, а расстояние между индукционным нагревателем и обрабатываемым изделием не превышает 10 мм.

На чертеже схематично представлено устройство химико-термической обработки металлических изделий в несамостоятельном разряде.

Представленное устройство содержит обрабатываемое изделие 1, помещенное в индукционный нагреватель 2, подключенный через емкостной фильтр 3 к преобразователю частоты 4, источник питания постоянного тока 5, положительным выводом подключенный через индуктивный фильтр 6 к индуктору 2, а отрицательным - к обрабатываемому изделию 1. Система подачи технологического газа 7 обеспечивает подачу газа в полость, образованную между индуктором 2 и изделием 1.

Принцип работы индукционно-резистивного нагревателя /4/ основан на законах электромагнитной индукции и выделения тепловой энергии за счет излучения. Так как технологическая температура при химико-термической обработке (ХТО) составляет 800 - 1200^oC, то доля излучения тепловой энергии составляет 50 - 70%. Излучение тепловой энергии достигается за счет протекания по индуктору с повышенными энергетическими потерями тока. Следствием этого является нагрев индуктора до технологической температуры и передача энергии нагреваемому изделию посредством электромагнитного поля и теплового излучения. В результате комбинированного способа передачи энергии изделию температуры поверхности изделия и технологического газа равны. Равенство температур достигается соотношением долей энергий, передаваемых изделию посредством электромагнитного поля и теплового излучения. Частота тока индуктора зависит от диаметра изделия и составляет 100 - 440 кГц.

Технологический газ вводится между внутренним диаметром индуктора 2 и изделием 1. Нагрев изделия 1 осуществляется электромагнитным полем индуктора 2 и его излучением, а нагрев газа - излучением нагреваемого изделия 1 и индуктора, а также конвективными потоками. Так как промежуток между индуктором 2 и изделием 1 менее 10 мм, то равномерность нагрева газа и поверхности изделия высокая (T < 50^oC). На высокой частоте происходит нагрев только поверхностного слоя изделия, равного (но не менее) глубины диффузионного слоя при ХТО, что значительно снижает термические напряжения в изделии и снижает вероятность брака, связанного с нагревом.

Скорость нагрева составляет до 20^oC/ с. В результате нагрева изделия 1 и технологического газа на поверхности изделия 1 адсорбируются атомы внедрения (например, азота, углерода, кремния и т.д.) и под действием градиента концентрации внедряемых частиц возникает их диффузия в поверхностный слой изделия 1. Ускорение диффузии наблюдается при наличии градиента температуры (термодиффузии), создаваемого между поверхностью изделия 1 и глубинными (более глубины проникновения электромагнитной волны в металл) слоями.

При наличии высокочастотного электромагнитного поля между индуктором 2 и изделием 1 может происходить ионизация технологического газа, находящегося в данном промежутке. Для усиления ионизационных процессов между индуктором 2 (положительный электрод) и изделием 1 - катодом прикладывается напряжение постоянного тока, создается напряженность электрического поля и возникает несамостоятельный разряд при наличии технологической температуры (выше 500^oC). Величина напряженности электрического поля составляет (1 - 5) 10⁵ В/м. Электрические и технологические характеристики несамостоятельного разряда рассмотрены в /5/. Коэффициент ионизации технологического газа при наличии несамостоятельного разряда повышается в 100-1000 раз. При этом концентрация ионов в газе значительно увеличивается, и они активизируют диффузионные процессы.

Рассмотрим влияние несамостоятельного разряда в диффузионных процессах. Под действием электрического разряда положительные ионы смещаются к катоду-изделию и адсорбируются на его поверхности. Часть ионов взаимодействуют с электронами, эмитируемыми из катода под действием вторичной электронной эмиссии и фотоэмиссии. В результате этого взаимодействия образуются на поверхности изделия нейтральные атомы элемента внедрения. Кроме того, ионы, бомбардирующие поверхность, внедряются в нее и участвуют в процессах хемосорбции. Электрический ток разряда создает электрофизическую силу, направленную внутрь изделия по направлению электрического поля. Данная сила ускоряет диффузионные процессы и обеспечивает проникновение атомов внедрения на большие глубины /2/. Например, при цементации глубина диффузионного слоя достигает 1,5 мм, а при отсутствии несамостоятельного разряда глубина обработки не превышает 1 мм.

Индуктор 1 выполнен из металла с высоким удельным электрическим сопротивлением, например из стали, что позволяет увеличить в нем энергетические потери. Температура нагрева индуктора равна температуре технологического газа и поверхности изделия. Индуктор 1 обеспечивает нагрев газа и поверхности изделия посредством электромагнитного поля и теплового излучения. Соотношение между составляющими тепловой энергии (электромагнитного и теплового излучений) определяется составом газа, материалом изделия, температурой и находится экспериментально. Данное соотношение регулируется мощностью, вводимой в систему индуктор-изделие, частотой тока индуктора и материалом трубки индуктора. Некоторые рекомендации сделаны в /4/.

Индуктивный фильтр 6 защищает источник постоянного тока 5 от высокочастотных составляющих напряжения индуктора 2, электропитание которого осуществляется от преобразователя частоты 4. Емкостной фильтр 3 защищает преобразователь частоты 4 от напряжения постоянного тока. В полость между индуктором 2 и изделием 1 подается технологический газ от системы подачи технологического газа 7 (при азотировании - смесь азота с аргоном, при цементации - пропан-бутановая смесь). Величина межэлектродного промежутка составляет 7 - 10 мм. Минимальная величина определяется вероятностью перехода несамостоятельного разряда в дуговой, максимальная величина - минимально допустимым током разряда /5/.

Химико-термическая обработка ведется следующим образом. Обрабатываемое изделие помещается в полость индуктора, и подается технологический газ между индуктором и изделием. Включается преобразователь частоты 4, и подается напряжение на индуктор. Одновременно включается источник питания постоянного тока, и между индуктором и изделием создается электрическое поле. Время нагрева поверхности изделия и технологического газа до заданной технологическим процессом температуры составляет 20-40 с. За счет приложенного между индуктором-анодом и изделием-катодом электрического поля создается несамостоятельный разряд (при температуре не менее 500^oC). Под действием градиента концентрации атомов и ионов элемента внедрения из технологического газа, градиента температуры между поверхностью и глубинными слоями изделия и электрофизической силы, создаваемой током разряда, протекает ускоренный процесс диффузии внедряемых частиц в глубинные слои изделия. Глубина нагрева изделия токами высокой частоты должна быть в 2-3 раза больше глубины диффузионной обработки.

Глубина обработки соответствует глубине обработки в диффузионных установках с тлеющим разрядом, которые в настоящее время используются для данных целей. Преимуществом обработки в несамостоятельном разряде, по сравнению с тлеющим, является снижение времени обработки в 1,5 - 2 раза и расхода электроэнергии в 2-3 раза. Кроме того, установки с несамостоятельным разрядом работают при атмосферном давлении, что значительно снижает стоимость оборудования и себестоимость продукции. Таким образом, данное устройство, по сравнению с известными, имеет более высокую производительность, низкую стоимость и позволяет проводить обработку в непрерывном режиме.

В предлагаемом устройстве можно проводить большинство химико-термических процессов, например азотирование, цементацию, нитроцементацию, силицирование, титанирование, меднение и др.

Источники информации 1. Бабад-Захряпин А. А. , Кузнецов Г.Д. Химико-термическая обработка в тлеющем разряде. - М.: Атомиздат, 1975. - 175 с.

2. Юхимчук С.А., Ламонов И.М. Восстановление и упрочнение деталей и узлов энергетического оборудования методом ионно-плазменной обработки. - М.: Энергоатомиздат, 1966. - 126 с.

3. Кидин И. Н., Андрюшечкин В.И., Волков В.А. и др. Электрохимико-термическая обработка металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1978, с. 20-22, 184-187, 208-210, 223-231 - прототип.

4. Кувалдин А. Б., Нечаев А.И., Беккер Л.Н. и др. Использование индукционных нагревательных элементов для тепловлажностной обработки железобетонных изделий. /Сб. научных тр., N 160. - М.: МЭИ, с. 26-31.

5. Долбилин Е.В., Чурсин А.Ю. Исследование электрических и технологических характеристик несамостоятельного разряда./ Вестник МЭИ, 2000, N 1, с. 65-69.

Формула изобретения

Устройство химико-термической обработки металлических изделий в несамостоятельном разряде, содержащее индукционный нагреватель с помещенным внутри него обрабатываемым изделием, подключенный к преобразователю частоты, систему подачи технологического газа в полость, образованную индуктором и изделием, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено источником питания постоянного тока, индуктивным и емкостным фильтрами, при этом положительный вывод источника питания постоянного тока подключен через индуктивный фильтр к индуктору, а отрицательный вывод - к обрабатываемому изделию, емкостной фильтр включен между выходом преобразователя частоты и индуктором, а расстояние между индукционным нагревателем и обрабатываемым изделием не превышает 10 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1