RU17179U1

RU17179U1 - ION-PLASMA DEVICE FOR CHEMICAL AND THERMAL PROCESSING OF METAL PRODUCTS

Info

Publication number: RU17179U1
Application number: RU2000124212/20U
Authority: RU
Inventors: Е.В. Долбилин; А.Ю. Чурсин
Original assignee: Московский энергетический институт (Технический университет)
Priority date: 2000-09-25
Filing date: 2000-09-25
Publication date: 2001-03-20

Abstract

Ионно-плазменное устройство для химико-термической обработки металлических изделий, содержащее 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, отличающееся тем, что нагревательный элемент выполнен в виде индуктора, расположенного в стенке печи, а анод расположен внутри индуктора и в нем имеется хотя бы один продольный разрез.An ion-plasma device for chemical-thermal treatment of metal products, containing a continuous-flow furnace with an electric heating element, inside of which there is a hollow cylindrical anode with a product cathode symmetrically located in it, a DC power source connected between the anode and cathode, characterized in that the heating element is made in the form of an inductor located in the wall of the furnace, and the anode is located inside the inductor and it has at least one longitudinal section.

Description

Ионио-плазмениое устройство для химико-термической обработки металлических изделийIon-plasma device for chemical-thermal treatment of metal products

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.The utility model relates to electrical technology and can be used for diffusion processing of metashell products. Such technologies include cementation, nitriding, silicification of steel products, etc.

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.A characteristic feature of chemical-thermal treatment is the heating of products to the temperature of diffusion saturation of the surface layer and the introduction of impurity element atoms into it. In case of cementation, the impurity or penetration element is carbon, during nitriding, nitrogen, during siliconizing, silicon, etc. When electrical diffusion is applied to the temperature field, the diffusion processes are significantly accelerated and the depth of the diffusion layer increases. To create an electric field, an electric discharge is used (smoldering, arc or non-self-contained), created between the cathode-product and the anode. A process gas is a source of implanted ions, fed into the interelectrode gap, ionized with an applied electric field, and implanted ions are transported to the cathode-product, deposited on it and, due to the particle concentration gradient, temperature gradient and electric field, diffuse into the surface layer of the product.

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 газыA device for chemical-thermal treatment of metal products / 1 /, containing a heating electric furnace, which houses the processed product. Technological gas with introduced elements is supplied into the furnace space (during cementation, these are gases

С23С 8/00C23C 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.SCNp groups, with nitriding - nitrogen-containing gases, for example ammonia). At technological temperatures, gas molecules decompose into atoms and the introduced element is deposited on the surface of the product, and then the atoms of the implantation element diffuse into the surface layer.

Недостатком данного устройства является низкая производительность и большой расход технологического газа.The disadvantage of this device is the low productivity and high consumption of process gas.

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.A device / 2 / is known that contains a technological low-pressure chamber (fractions and units of pascals) in which the parts are located. Between the chamber wall - the anode and the cathode products - a glow discharge is created that heats the product to the penetration temperature and intensifies the technological process. The speed of diffusion processes increases significantly (5-10 times), compared with / 1 /, due to the high temperature (as in the first device) and the electrophysical forces created by the electric field.

Недостатком устройства является его сложность из-за наличия глубокого вакуума в камере, высокая стоимость и сложность или невозмолшость работы в непрерывном режиме.The disadvantage of this device is its complexity due to the presence of a deep vacuum in the chamber, the high cost and complexity or non-silence of continuous operation.

Наиболее близким по технической сущности является ионноплазменное устройство для химико-термической обработки металлическихThe closest in technical essence is an ion-plasma device for chemical-thermal treatment of metal

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 products / 3 /, containing a cylindrical continuous furnace with an electric heating resistive element, inside of which there is a hollow cylindrical anode with a cathode product symmetrically located in it. The anode and cathode are connected to a DC power source. Process gas is supplied to the interelectrode gap. A non-self-sustained discharge is created between the anode and cathode at technological temperatures (600 - 1100 ° С). Electric heating

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.resistive type. The interstitial ions formed in the discharge, due to the electric field created by the direct current power source, are displaced to the product cathode and deposited on its surface to form atoms. A gradient of particle concentration is created by the surface and deep layers. Further, due to the particle concentration gradient at technological temperatures, as well as due to the electrophysical forces created by the flow of current through the discharge and the cathode-product, the process of diffusion of particles of introduction into the surface layer of the product. The speed of the diffusion process corresponds to the speed of diffusion in installations with a glow discharge, however, this device is much simpler and cheaper than installations with a glow discharge, since it operates at atmospheric pressure.

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.The disadvantages of the device include the heating of the deep (untreated) layers of the product, which leads to a change in the physicochemical properties of the deep layers and, in addition, increases the marriage of products due to thermal overvoltages. The disadvantages of the installation include the long time of heating the interelectrode block to the process temperature, which reduces productivity, since the installation uses resistive electric heaters that provide heating at a speed of 1-3 ° C / s.

Технической задачей полезной модели является повышение производительности устройства и глубины диффузионного слоя.The technical task of the utility model is to increase the productivity of the device and the depth of the diffusion layer.

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 разрезThe problem is solved in that in the limestone ion-plasma device for chemical-thermal treatment of metal products, containing a continuous-flow furnace with an electric heating element, inside of which there is a hollow cylindrical anode with a cathode-product symmetrically located in it, a DC power source connected between the anode and According to a utility model, the cathode, the electric heating element is made in the form of an inductor located in the wall of the furnace, and the anode is located inside the inductor and it contains I have at least one longitudinal section

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.The drawing of figure 1 shows the proposed ion-plasma installation. It contains a cathode-product - 1, anode - 2, an inductor - 3, a continuous-flow furnace - 4, an interelectrode gap - 5, a DC power supply - 6. The anode contains longitudinal sections (Fig. 2) - 7, filled with an insulator.

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.Installation works as follows. Process gas is supplied to the interelectrode gap (anode - cathode-product). To create a non-self-sustaining discharge between the electrodes, it is necessary to heat the electrode block and the gas to a process temperature that should be greater than 550 ° C - the minimum temperature at which a non-self-sustaining discharge is excited. This condition is satisfied, since the process temperature or the optimum diffusion temperature of the interstitial elements is 550 - 1100 ° С (for cementation, silicification, titanization, etc. - 950 - 1050 ° С, for nitriding - 550 - 650 ° С). The heating of the anode and cathode of the product is carried out by induction current induced by an electromagnetic field generated by the current flowing through the inductor. To induce induction currents into the product, the anode must be split, which ensures the penetration of the electromagnetic field to the product, according to the theory of induction heating. The design of the split anode is shown in figure 2, the Anode must have at least one cut.

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.filled with non-conductive material, such as heat-resistant ceramics. According to the theory of induction heating, it is possible to select the frequency of the inductor current in such a way that the anode and the product will heat up to a given identical temperature. Even with possible temperature inequality, due to the proximity of the electrodes (the distance between them is 4-8 mm) and the confined space of the furnace, temperature equalization occurs. A voltage of 400 - 1000 V is applied between the electrodes and a non-self-sustaining discharge is created / 4 /. The amount of ions formed in the discharge is determined by the process temperature and electric field strength. The average concentration of charged particles is 10 ° 10 cm. Further, under the influence of an electric field, ions are moved and deposited on the cathode-product and there is a diffusive incorporation of ions and atoms of the insertion element into the surface layer of the product due to the concentration gradient, temperature gradient and directional movement of the electric current. In addition, the introduction of ions that bombard the surface of the product is carried out due to their kinetic energy acquired in the cathode region of the discharge.

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.The inductor current frequency is 10 - 100 kHz. If you increase the frequency to tens of MHz, then due to induction heating of the gas, you can increase the concentration of charged particles by a hundred times. In this case, the intensity of ion flows increases, which leads to the activation of diffusion processes.

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.When a high-frequency electromagnetic field is applied to the ionized gas phase, more intense absorption by the metal surface of the ions and atoms of the interstitial material occurs. With rapid heating, which is continuous with induction heating, an increased concentration of vacancies is created and its conservation for a long time. Heating is carried out only on the surface of the product, while creating better conditions for the occurrence of surface reactions during gas processes and for a longer preservation of the activity of the saturating medium.

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.Thus, the combined chemical-thermal treatment implemented in this device allows you to increase the depth of the formed diffusion layer in less time, compared with the settings described in / 1 - 3 /. In addition, the heating time during induction processing is much shorter (by tens of times) than the time of resistive heating and is seconds or several minutes. Thus, the proposed device has greater productivity by reducing the heating time and provides the intensification of diffusion processes.

Устройство предназначено для ведения химико-термической обработки металлических изделий при получении диффузионных слоев, например при цементации, азотировании, силицировании и др.The device is intended for conducting chemical-thermal treatment of metal products upon receipt of diffusion layers, for example, during cementation, nitriding, silicification, etc.

Источники информации, принятые во внимание.Sources of information taken into account.

1.Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справочник /Г.В. Борисенок, Л.А. Васильев, Л.Г. Ворошинин и др. 1981. - 424 с.1. Chemical-thermal treatment of metals and alloys: Reference / G.V. Borisenok, L.A. Vasiliev, L.G. Voroshinin et al. 1981. - 424 p.

2.Бабад-Захряпин А.А., Кузнецов Г.Д. Химико-термическая обработка в тлеющем разряде. М.: Атомиздат, 1975. - 175 с.2.Babad-Zakhryapin A.A., Kuznetsov G.D. Chemical-thermal treatment in a glow discharge. M .: Atomizdat, 1975 .-- 175 p.

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).3.Yuhimchuk S.A., Lamonov I.M. Restoration and hardening of parts and components of power equipment by ion-plasma treatment. M .: Energoatomizdat, 1966 .-- 128 p. (prototype).

4. Долбилин Е.В., Чурсин А.Ю. Исследование электрических и технологических характеристик несамостоятельного разряда. - Вестник МЭИ, №1,2000, С.65-69.4. Dolbilin EV, Chursin A.YU. Study of electrical and technological characteristics of a non-self-sustaining discharge. - Vestnik MPEI, No. 1.2000, S.65-69.

Claims

An ion-plasma device for chemical-thermal treatment of metal products, containing a continuous-flow furnace with an electric heating element, inside of which there is a hollow cylindrical anode with a product cathode symmetrically located in it, a DC power source connected between the anode and cathode, characterized in that the heating element is made in the form of an inductor located in the wall of the furnace, and the anode is located inside the inductor and it has at least one longitudinal section.