книги / Плазменная химико-термическая обработка

анодное падение потенциала (его, как правило, принимают на уровне потенциала ионизации водорода [33, 66] и Uст – падение напряжения на положительном столбе разряда. Поскольку положительный столб в разряде при реальных режимах обработки практически отсутствует, этазонаразрядаклассифицируетсякак«остов», причем падение напряжения на нем составляет единицы вольт на 10 мм длины остова [67]. Это значит, что при достаточном удалении деталей садки от стенок камеры падение напряжения на остове может составлять десятки вольт, а катодное падение потенциала может быть меньше 80 % от Upазр. Это приведет к увеличению электрической мощности, необходимой для поддержания требуемой температуры садки по сравнению с садкой, детали которой максимально приближены к стенкам камеры. Экспериментально установлено, что оптимальным является расстояние между стенкой и садкой (деталямисадки) вдиапазоне75–80 мм.

Рис. 1.28. Зависимость относительной плотности тока j/p2 от катодного падения Uкпп для аномального тлеющего разряда на железном катоде; кружки – значения нормального катодного падения потенциала: для азота Uкпп = 215 В, для водорода –250 В; для аргона – 165 В [65]

71

Следовательно, с учетом (1.12) темп разогрева детали будет определяться уравнением

Например, обрабатываемая деталь имеет достаточно большую массу (800–1200 кг) и относительно небольшую площадь (малое значение S/m, м2/кг). Разогрев ее с приемлемой скоростью (порядка 2–2,5 град/мин или 120–150 град/ч) в установках с камерами, имеющими холодные стенки, практически невозможен. Это связано с тем, что повышение мощности тлеющего разряда будет неминуемо приводить к срыву тлеющего разряда в дуговой, что замедляет темп разогрева и приводит к повреждению поверхности детали (рис. 1.29).

Рис. 1.29. Следы воздействия микродуг разряда на поверхность детали

В табл. 1.10 представлены результаты анализа стадии разогрева деталей с различным соотношением параметра S/m для температурного интервала 20–540 °С в установках ионного азотирования промышленного типа с камерами, имеющими «холодные» стенки. Как следует из представленных в табл. 1.10 данных, независимо от параметра S/m в диапазоне от 20 до 300 °С разогрев садки происходит с достаточно приемлемой скоростью. Затем, по мере повышения температуры и уменьшения параметра

72

S/m, наблюдается замедление скорости разогрева, причем оно коррелирует с величиной S/m. Следовательно, в случае обработки деталей с достаточно малым значением S/m (0,002 м2/кг и менее) более целесообразной будет конструкция камеры с дополнительными нагревателями (см. рис. 1.4).

Таблица 1.10

Скорость разогрева садки деталей тлеющим разрядом (град/мин) для различных значений параметра S/m

1.4.2. Разогрев садки в камерах с «горячими» стенками

В случае камеры с «горячими» стенками дополнительным источником тепла при нагреве и выдержке садки являются нагреватели на стенке, поэтому в таких камерах доля энерговклада от разряда на стадии разогрева и изотермической выдержки может быть меньше, чем в установках, имеющих камеры с холодными стенками. Однако в данном случае необходимо выбирать определенный баланс между температурой стенки и мощностью тлеющего разряда, который будет обеспечивать необходимую химическую активность разряда.

Количество теплоты, получаемой загрузкой (садкой) от «горячей» стенки в течение элементарного промежутка времени в условиях теплообмена излучением, определяется таким образом:

73

где Тст, Тз – текущая температура стенки и загрузки соответственно, К; спр – приведенный коэффициент излучения системы «стен- ка-загрузка»; Fз – площадь тепловоспринимающей поверхности загрузки, м2.

Приведенный коэффициент излучения системы «выпуклое тело» (загрузка) внутри полого тела (рабочее пространство камеры, т.е. «горячая» стенка) рассчитывается так:

где Fст – площадь излучающей поверхности стенок камеры, м2; ɛз – коэффициент черноты загрузки; ɛп – коэффициент черноты камеры печи.

В данном случае площадь тепловоспринимающей поверхности садки деталей меньше, чем ее общая площадь, на которую воздействуют частицы тлеющего разряда при разогреве только тлеющим разрядом. В случае если обрабатываемые детали размещаются в специальной оснастке, например в корзинах при ионной цементации, то тепло от нагретой стенки воспринимают вначале они, а затем от них посредством излучения разогреваются детали, находящиеся внутри. В данном случае нагрев обеспечивается определенным количеством теплового потока Qпов от теплоносителя (стенки к поверхности материала). Теплоносителем в данном случае выступает муфель, находящийся внутри камеры, на наружной стороне которого находится нагреватель стержневого типа (см. рис. 1.9, б). Если принять, что теплоотдача в основном осуществляется по закону Ньютона – Рихмана, то тогда значение внешнего теплового потока Qпов, Вт, можно определить по следующему уравнению [67]:

74

где α – суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/м2К; F – теп-

ловоспринимающая поверхность садки, м2; Тст, Тпов – температуры стенки и поверхности материала соответственно, К.

Если конвективный теплообмен отсутствует, то коэффициент теплоотдачи полностью определяется теплообменом вследствие излучения.

С целью определения величины удельной мощности при радиационном нагреве садки проводился нагрев оснастки (рис. 1.30) массой 400 кг с загруженными в нее деталями массой 150 кг только с помощью нагревателя, т.е. разряд при этом не включался. Нагрев садки деталей проводился в камере, имеющей нагреваемый муфель диаметром 1000 мм и высотой 1600 мм, а также центробежный вентилятор дляреализацииускоренногоохлаждения.

Рис. 1.30. Специальная загрузочная оснастка для обработки деталей в камере с горячими стенками

В табл. 1.11 представлены значения температуры садки и муфеля в течение времени разогрева, а также рассчитанные значения удельной мощности при нагреве. Площадь наружной по-

75

верхности оснастки (корзин) составляла 3 м2. Значения коэффициента теплоотдачи излучением в зависимости от температуры изделия и температуры печи (муфеля) использовались из [68].

Таблица 1.11

Значения температуры деталей садки при использовании нагревателя

Как следует из полученных данных, при радиационном нагреве удельная мощность от нагревателей, идущая на разогрев деталей, в 4 раза превосходит мощность, которую можно обеспечить при разогреве только тлеющим разрядом, когда максимальное ее значение достигает лишь 3–4 кВт/м2 [64]. При этом нужно иметь в виду, что в данном случае тепло от муфеля получает только наружная стенка корзин или деталей, которая обращена к муфелю, а при разогреве разрядом – вся площадь садки, которая больше ее наружной площади.

Отметим, что максимальная удельная мощность, которая может быть затрачена на разогрев садки только тлеющим разрядом, ограничена. Это связано с тем, что при определенном сочетании параметров «ток-напряжение-давление-тип плазмообразующего газа» тлеющий разряд из фазы аномального может скачкообразно перейти в фазу дугового разряда (см. рис. 1.27), что приводит к повреждению поверхности деталей (см. рис. 1.29). Как было отмечено выше, для установок плазменной обработки промышленного типа значение максимальной удельной мощности на стадии разогрева может быть принято на уровне до 3–4 кВт/м2. Однако на практике невсегдаудаетсяобеспечитьтакойуровеньудельноймощности.

76

ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ МЕТОДОВ ПЛАЗМЕННОЙ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

2.1.Элементарные процессы

вкатодной области тлеющего разряда

Общим обязательным условием для всех типов установок плазменной химико-термической обработки – с «горячими» и «холодными» стенками – является обеспечение аномальности тлеющего разряда при проведении процесса обработки независимо от давления в камере.

Аномальный тлеющий разряд – это форма тлеющего разря-

да, при которой свечением охвачена вся площадь катода-садки. При повышении вкладываемой в разряд мощности вместе с ростом напряжения увеличивается и сила тока разряда.

Нормальный тлеющий разряд – это форма тлеющего разря-

да, при которой свечением охвачена только часть катода. При увеличении вкладываемой мощности растет лишь разрядный ток, в то время как величина катодного падения потенциала Uкпп остается неизменной. Это так называемое нормальное катодное падение потенциала, которое можно считать первым параметром, характеризующим тлеющий разряд. Если катод изготовлен из сплава железа, то для азота значение Uкпп составляет 215 В, для водорода – 250 В, для аргона – 165 В (см. рис. 1.28) [65].

Вторым параметром, который позволяет разделять тлеющий разряд на нормальный и аномальный, является понятие «нормальная плотность тока» – j/р2. Для катода из сплава железа при темпе-

ратуре 300 К для азота эта величина составляет 2,26·10–4A/(м2·Па2), для аргона – 9,0·10–5 A/(м2·Па2) и для водорода – 4,1·10–5A/(м2·Па2)

(см. рис. 1.28) [65].

Следовательно, если реальное значение плотности тока в процессе обработки при конкретном давлении и температуре будет меньше, чем значение нормальной плотности тока для азота

78

(основной компонент рабочей смеси), то разряд может быть частично нормальным и частично аномальным. Это означает, что на части садки разряд будет отсутствовать (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Совместное существование двух форм тлеющего разряда – нормальной и аномальной – при ионном азотировании; черные места на садке – отсутствие разряда (нормальная форма)

Принципиальным отличием обработки деталей в тлеющем разряде является тот факт, что поверхность деталей подвергается воздействию не только нейтральных частиц (атомов, молекул, как и при газовом азотировании), но и заряженных частиц (ионов). Они под действием отрицательного потенциала на ка- тоде-детали бомбардируют ее поверхность. Количество активных заряженных компонентов низкотемпературной неравновесной плазмы зависит от напряженности электрического поля. Использование импульсного напряжения и тока позволяет значительно повысить напряженность электрического поля и, следовательно, увеличить активность плазмы.

Качественные соотношения параметров в катодной области тлеющего разряда отображены на рис. 2.2 [33].

79