книги / Плазменная химико-термическая обработка

На рис. 1.20 представлены результаты расчета и измерения электрической мощности разряда при разогреве садки для камеры промышленного типа. Мощность определялась как

Рэл = U·I·k,

(1.11)

где U – напряжение «катод-анод», В; I – сила тока разряда, А; k – коэффициент заполнения (для пульсирующего разряда с импульсом напряжения прямоугольной формы) [62].

Рис. 1.20. Расчетные (сплошные линии) и экспериментальные (ромбы) значения мощности при разогреве и выдержке садки деталей; цифры у маркеров – экспериментально полученные скорости разогрева

Скорость разогрева вычислялась по графику роста температуры садки при нагреве (см. рис. 1.20).

В табл. 1.8 и 1.9 приведены расчетные значения мощности при разогревеивыдержкесадкимассой100 кгдляопытнойустановки.

Как видно из представленных на рис. 1.20 и в табл. 1.8 и 1.9 данных, существенное влияние на величину мощности разряда, необходимой для разогрева садки и ее выдержки при определенной температуре, оказывает геометрия разрядной камеры. Чем меньше ее геометрические размеры, тем при меньшей мощности тлеющего

61

разряда обеспечивается необходимая температура садки. Таким образом, по мере увеличения геометрических размеров камеры (диаметра и высоты) увеличивается и мощность разряда, которую необходимоприкладыватьприпроведениипроцессаобработки.

Таблица 1.8

Расчетное значение мощности (Рэл., кВт) при разогреве садки массой 100 кг с различным темпом разогрева

	Стадия процесса	Т, оС		Темп разогрева			, оС/ч
			200		240		300
		100	3,93		4,7		5,84
		200	4,26		5,03		6,17
	Разогрев	300	4,89		5,66		6,8
		400	5,94		6,71		7,85
		500	7,58		8,35		9,49
		540	8,44		9,21		10,35
		560	8,94		9,71		10,85

Таблица 1.9

Расчетное значение мощности при изотермической выдержке садки массой 100 кг при температурах 500, 540 и 560 оС

Стадия процесса	Т, оС	Рэл., кВт
Выдержка	500	3,76
	540	4,62
	560	5,12

При расчете теплообмена «садка – стенки камеры» следует учитывать фактор «старения» теплозащитных экранов, заключающийся в том, что по мере эксплуатации камеры экраны темнеют из-за азотирования и осаждения на них нитридов железа. Это приводит к тому, что степень черноты экранов увеличивается, что неизбежно приведет к большему оттоку тепла от садки вследствие излучения. Поэтому по мере эксплуатации оборудования для обеспечения постоянства температуры на стадии выдержки необходимо прикладывать бόльшую электрическую мощность, чем в начальный период эксплуатации.

62

В [48] приведены данные оценки этого фактора для камеры колпакового типа с размерами: диаметр 1530 мм, высота 1500 мм. В камере имеются три коаксиальных теплоизоляционных экрана, стенка камеры охлаждается водой, в стационарном режиме температура стенки поддерживается на уровне 36 ºС. Для экранов из листовой стали принимались следующие значения степени чер-

ноты ε: εэ1 = 0,6; εэ2 = 0,56 и εэ3 = 0,45, εс = 0,4; εст = 0,6. Расчеты показали, что увеличение степени черноты первого, обращенного

к садке экрана с 0,66 до 0,9 приводит к росту электрической мощности на 10 %, а изменение величины εст (степени черноты стенки камеры от 0,6 до 0,9) в меньшей степени влияет на рост электрической мощности – всего на 5 %.

Таким образом, используя расчетные данные по мощности разряда с учетом теплообмена в системе «садка – стенки камеры», можно с достаточно высокой степенью точности спрогнозировать энергетические параметры процесса ионного азотирования на промышленном оборудовании – ток и напряжение горения тлеющего разряда.

Далее рассмотрим влияние количества коаксиальных теплозащитных экранов в рабочей камере на величину мощности тлеющего разряда при разогреве садки и влияние величины излучающей площади садки на температуру внутреннего, обращенного к садке экрана. Следует отметить, что в зависимости от разности температур «садка – экран» зависит и температурная однородность деталей в садке.

На рис. 1.21 приведены расчетные значения электрической мощности, необходимой для разогрева садки в зависимости от ее температуры для разного количества теплозащитных экранов в камере.

Из соотношений (1.4), (1.5) и (1.6) были получены расчетные значения для температуры внутреннего (обращенного к садке) экрана – Тэ1. Результаты расчетов Тэ1 в зависимости от температуры садки при ее излучающей площади, равной 4,2 м2, а также расчетные значения Тэ1 в зависимости от площади садки при по-

63

стоянной ее температуре (Т = 530 ºС) для разного количества коаксиальных экранов представлены на рис. 1.22, 1.23. На рис. 1.24 приведена разность температуры «садка – внутренний экран» в зависимости от температуры садки [48].

Рис. 1.21. Значения электрической мощности, необходимой для разогрева садки, в зависимости от ее температуры для разного количества теплозащитных экранов в камере

Рис. 1.22. Температуравнутреннегоэкранавзависимостиоттемпературы садки для разного количества теплозащитных экранов в камере

64

Рис. 1.23. Температура внутреннего экрана в зависимости от излучающей площади садки

Расчеты, проведенные для установки промышленного типа и различного количества теплозащитных экранов (1, 2 и 3), показали, что наличие в камере трех экранов снижает расход электроэнергии на стадии выдержки на 14 % по сравнению с двумя и на 28 % по сравнению с одним экраном (см. рис. 1.21).

Измерения температура внутреннего, третьего, экрана с помощью хромель-алюмелевой термопары показали, что при температуре садки 530–540 ºС его температура составляет 440–450 ºС (см. рис. 1.24), что соответствует температуре внутренней «горячей» стенки в установках с косвенным подогревом

(фирмы Eltro, PlaTeG, Rűbig и др.) [38, 39, 41].

Рис. 1.24. Разность температуры «садка – внутренний экран» в зависимости от температуры садки

65

Высокая температура внутреннего экрана обеспечивает однородность температурного поля в садке и низкий расход электроэнергии. Так, например, при обработке вышеупомянутой садки на стадии выдержки затрачиваемая на поддержание разряда мощность составляет всего 18–18,5 кВт или 35–36 Вт/кг. В установках ионного азотирования, имеющих 1 или 2 экрана, затраты мощности на поддержание разряда выше, так как теплообмен со стенками камеры интенсивнее и, соответственно, температура внутреннего экрана ниже. Это также приводит к большему градиенту температуры садки в радиальном направлении.

а

б

Рис. 1.25. Зависимость удельного расхода электроэнергии от величины азотируемой площади садки (а) и массы садки (б)

66

При обработке садок деталей с различной степенью загрузки рабочей камеры было экспериментально установлено, что чем полнее загружена камера, тем меньше удельный расход электроэнергии для обеспечения необходимой глубины азотированного слоя 0,3–0,35 мм, при этом удельные энергозатраты составляют 0,6–1,6 кВт·ч/кг в зависимости от загрузки камеры при температуре садки 525–530 °С. На рис. 1.25 приведен удельный расход электроэнергии на 1 квадратный метр азотируемой площади при обработке шестерен с внутренним зубом в камере с загрузочными габаритами: диаметр 950 мм и высота загрузки – 1800 мм в зависимости от площади садки [63].

Рис. 1.26. Садка шестерен с внутренним зацеплением с общей азотируемой площадью 24 м2

Такая зависимость удельной мощности обусловлена тем, что по мере увеличения загрузки камеры деталями растет площадь садки. Общая площадьувеличивается вбольшей степени, чемплощадь, участвующая в теплообмене со стенками камеры. Тем самым удельная мощность разряда по мере увеличения общей площади садки

67

снижается. Кроме того, при расчете теплообмена необходимо учитыватьтотфакт, чтовреальнойсадкеимеетместооблучениестенки камеры от разных элементов садки. Например, на представленной на рис. 1.26 садке шестерен с внутренним зубом около 70 % наружной площади каждой шестерни участвует в теплообмене со стенкой камеры. Эта суммарная площадь превышает площадь излучения садки, принимаемую как боковая поверхность цилиндра с диаметромкатодаивысотойзагрузкидеталей.

Как видно из приведенных зависимостей (1.4)–(1.6), методика расчета мощности разряда, основанная на анализе теплообмена в системе «садка-стенка», с достаточной точностью позволяет определить величину мощности, необходимую для разогрева садки и ее выдержки при постоянной температуре. Знание величины мощности тлеющего разряда для конкретной геометрии рабочей камеры установки ионного азотирования позволяет прогнозировать темп разогрева в зависимости от степени загрузки камеры и задавать режим выдержки по давлению в камере для обеспечения аномальности разряда, поскольку мощность тепловых потерь практически не зависит от давления.

1.4.1. Разогрев садки в камерах с «холодными» стенками

Следует отметить, что тлеющий разряд при плазменной обработке независимо от конструктивного исполнения камеры должен существовать в форме аномального. Характерным его признаком является «горение» разряда по всей поверхности деталей, а при увеличении вкладываемой в разряд мощности соответственно возрастают напряжение и разрядный ток. Рабочее напряжение на установках промышленного типа составляет обычно 350–600 В. Схематично вольт-амперная характеристика тлеющего разряда, существующего в нормальном и аномальном виде на примере аргона, представлена на рис. 1.27 [63].

При обработке деталей в тлеющем разряде мощность, выделяющаяся на катоде-детали и приводящая к ее нагреву, определяет-

68

ся в основном энергией, приносимой потоком положительных ионов и «быстрых» молекул и атомов, которые образуются при резонансной перезарядке ионов в области катодного падения потенциала. Согласно формуле 1.11 [62], доля мощности, идущая на разогрев катода(садки), составляетот0,6 до0,9 отобщеймощностиразрядаРэл.

Pнагр = j Uкпп S,

(1.12)

где j – плотность тока, А/м2; S – площадь садки, м2; Uкпп – катодное падение потенциала, В, которое не равно напряжению, при-

ложенному к катоду-садке, а в зависимости от параметров разряда составляет некоторую долю от напряжения «катод-анод».

Рис. 1.27. Вольт-амперная характеристика тлеющего разряда в аргоне

Согласно данным [64], а также результатам собственных исследований по обработке достаточно массивных садок деталей (2000–2800 кг), можно считать, что для установок плазменной обработки промышленного типа, имеющих камеры с «холодными» стенками, значение максимальной удельной мощности на стадии разогрева может быть принято на уровне до 4 кВт/м2. На-

69

пример, для садки площадью 24 м2 оно составит 96 кВт. Это значит, что если величина катодного падения потенциала составляет 500 В, то сила тока разряда должна быть не менее 192 А. Это вполне приемлемые параметры имеющихся плазмогенераторов для установок плазменной ХТО.

При разогреве садки деталей по мере повышения их температуры тепло с поверхности посредством излучения передается либо непосредственно на стенку камеры (в установках с горячими стенками), либо на теплозащитный экран камеры с холодными стенками, либо на соседнюю деталь. В свою очередь темп разогрева садки зависит также от соотношения массы детали и ее площади, на которую поступает поток энергии от частиц разряда.

Если задан темп разогрева садки (град/ч или град/мин), то уравнение баланса энергии при разогреве садки можно представить в таком виде:

c m dT = P		− P ,	(1.13)
dt	нагр	охл

где с – теплоемкость стали (для углеродистой стали в интерва-

ле температур 50–550 °С среднее значение теплоемкости с = = 0,162 Вт·ч·кг–1·К–1); dT/dt – темп разогрева, град/ч; m – масса

садки, кг; Рнагр и Рохл – соответственно мощность, Вт, идущая на нагрев садки и теряемая ею вследствие теплообмена со стенками.

Следует отметить, что значение Uкпп зависит от расстояния «деталь – стенка камеры» и от степени аномальности разряда, но должно превышать величину нормального катодного падения потенциала (кружки на графиках рис. 1.28) [65].

Под степенью аномальности разряда следует понимать отношение реальной плотности разрядного тока при проведении процесса азотирования к плотности тока для нормального разряда при одинаковых значениях давления и температуры. Следует иметь в виду, что приложенное к катоду напряжение Upазр (напряжение горения разряда) фактически равно сумме падений напряжения на отдельных участках разряда: Uкпп (катодное падение потенциала), Uа –

70