RU2175817C1 - Устройство для химико-термической обработки металлических изделий в несамостоятельном разряде - Google Patents
Устройство для химико-термической обработки металлических изделий в несамостоятельном разряде Download PDFInfo
- Publication number
- RU2175817C1 RU2175817C1 RU2000129581/09A RU2000129581A RU2175817C1 RU 2175817 C1 RU2175817 C1 RU 2175817C1 RU 2000129581/09 A RU2000129581/09 A RU 2000129581/09A RU 2000129581 A RU2000129581 A RU 2000129581A RU 2175817 C1 RU2175817 C1 RU 2175817C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- inductor
- product
- self
- discharge
- process gas
- Prior art date
Links
Landscapes
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
Abstract
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.
Description
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 - 1200oC, 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 (ΔT < 50oC). 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 20oC/ 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 500oC). 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 500oC). 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.
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.
Claims (1)
- 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000129581/09A RU2175817C1 (ru) | 2000-11-28 | 2000-11-28 | Устройство для химико-термической обработки металлических изделий в несамостоятельном разряде |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000129581/09A RU2175817C1 (ru) | 2000-11-28 | 2000-11-28 | Устройство для химико-термической обработки металлических изделий в несамостоятельном разряде |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2175817C1 true RU2175817C1 (ru) | 2001-11-10 |
Family
ID=20242588
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2000129581/09A RU2175817C1 (ru) | 2000-11-28 | 2000-11-28 | Устройство для химико-термической обработки металлических изделий в несамостоятельном разряде |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2175817C1 (ru) |
-
2000
- 2000-11-28 RU RU2000129581/09A patent/RU2175817C1/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
КИДИН И.Н. и др. Электрохимикотермическая обработка металлов и сплавов. -М.: Металлургия, 1978, с. 208-210, 223-231. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0797838B1 (en) | Method and apparatus for plasma processing | |
US6365011B1 (en) | Diffusion coating applied by magnetron sputtering | |
US5015493A (en) | Process and apparatus for coating conducting pieces using a pulsed glow discharge | |
EP0872569B1 (en) | Nitriding process and nitriding furnace thereof | |
Georges et al. | Active screen plasma nitriding | |
Lei et al. | Plasma-based low-energy ion implantation for low-temperature surface engineering | |
Paosawatyanyong et al. | Nitriding of tool steel using dual DC/RFICP plasma process | |
US4555611A (en) | Method and apparatus for uniformly heating articles in a vacuum container | |
US4853046A (en) | Ion carburizing | |
RU2413033C2 (ru) | Способ плазменного азотирования изделия из стали или из цветного сплава | |
EP0269251A1 (en) | Method and apparatus for thermochemical treatment | |
US5558725A (en) | Process for carburizing workpieces by means of a pulsed plasma discharge | |
RU2175817C1 (ru) | Устройство для химико-термической обработки металлических изделий в несамостоятельном разряде | |
US5127967A (en) | Ion carburizing | |
Pavanati et al. | Sintering unalloyed iron in abnormal glow discharge with superficial chromium enrichment | |
RU17179U1 (ru) | Ионно-плазменное устройство для химико-термической обработки металлических изделий | |
Borisov et al. | Effective processes for arc-plasma treatment in large vacuum chambers of technological facilities | |
RU2671026C1 (ru) | Способ комбинированного плазменного упрочнения поверхности изделий из титановых сплавов | |
Li et al. | Carburising of steel AISI 1010 by using a cathode arc plasma process | |
RU2611003C1 (ru) | Способ ионного азотирования титановых сплавов | |
RU2711067C1 (ru) | Способ ионного азотирования в скрещенных электрических и магнитных полях | |
Terakado et al. | Simultaneous plasma treatment for carburizing and carbonitriding using hollow cathode discharge | |
KR100317731B1 (ko) | 고밀도 플라즈마 이온질화 방법 및 그 장치 | |
RU2312932C2 (ru) | Устройство вакуумно-плазменной обработки изделий | |
Misiruk et al. | Non-self-sustained discharge with hollow anode for plasma-based surface treatment |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20051129 |