SU1227280A1 - Способ очистки поверхности металлических изделий - Google Patents

Description

I

Изобретение OTHOCIJTCH к металлургии и может быть использовано н метизной промьппленности дл  производства различных изделий в том числе: проволоки стальной и биметаллической , калиброванных прутков, длинномерных и мерных заготовок и др.

Целью изобретени   вл етс  повышение качества очистки.

На фиг. 1 изображена схема способа , на фиг, 2 - график распределени  плотности тока по радиусу полости индуктора дл  частоты О, 1 Мгд на фиг. 3 - то же, дл  частоты 1 Мгц, на фиг, 4 - тоже, дл  частоты 5 Мгц; на фиг, 5 - то же, дл  частоты 20 Мгц,

Графики получены на основе экспериментальных , расчетных и известных данных,

1, На относительно низкой частоте идет известньш процесс высокочастотного нагрева, В газовой атмосфере плотность тока равна нулю. Внутри металлического издели  за счет поверхностного эффекта наблюдаетс  бесселево распределение плотности тока от максимального значени  до близкого к нулю в центре. Газова  атмосфера в св зи с отсутствием проводимости прозрачна дл  электромагнитного пол . Передача тепла, осуществл етс  от издели  к газовой атмосфере .

2, При повышении частоты до опре деленшэго значени  (1 МГц в данном случае) температура поверхности повышаетс . Следуют процессы развити  ВЧ-плазменного разр да, описанные ниже. Плотность тока-в поверхностном слое резко увеличиваетс , плавк:о пада  к периферии. Температура в газовом разр де столь же резко возрастает до значений пор дка 10 С, Раз-

р д стабилизируют. Далее идет ста- ционарньй процесс интенсивной очистки поверхности. По вление проводимости в газовой атмосфере приводит к частичному поглощению ею энергии электромагнитных колебаний, частичной потери прозрачности. Однако, так как толщина провод щего сло  мала, поглощение энергии очень незначительное ( «1%), Основна  часть мощности генератора потребл етс  на индукцион ный нагрев. Температура же в разр де более чем на два пор дка превышает таковую на поверхности издели .

to

1, j

20

35

272802

Тепловой поток мен ет направление и направлен от газовой атмосферы к поверхности металлического издели . Таким образом, часть поглощенной Г| газовой атмосферой электромагнитной энергии оп ть-таки вкладываетс  непосредственно в поверхностный слой металлического издели . Происходит интенсивна  очистка поверхности издели  ,

3, Дальнейший подъем частоты при- водит к развитию ВЧ-плазменного разр да . Область со значительной плотностью тока расшир етс  к периферии полости, толщина поверхностного сло  в металлическом изделии еще более уменьшаетс . Однако температура поверхности растет не в той мере, как это ожидаетс  в отсутствии ВЧ-плазменного разр да, так как происходит значительна  экранировка разр дом металлического издели . Поверхностный скин-эффект про вл етс  непосредственно на плазме ВЧ-разр да. До 10-25% электромагнитной энергии расходуетс  на ВЧ-плазменньй разр д индукционного типа. Эффект очистки поверхности металлического издбли  по-прежнему про вл етс , средн   температура газовой атмосферы повышаетс . Поэтому при дальнейшем повышении частоты энергии электромагнитного пол  вкладываетс  не столько в процессы очистки и нагрева издели , сколько в повышение энтальпии потока газовой атмосферы. Степень прозрачности ее значительно ниже, чем в предыдущем случае. При разр де этого типа наблюдаетс  (как и в предыдущем случае) значительна  неравномерность электрофизических и теп- ловыз : процессов, способствующих полной очистке поверхности металлического издели . Тепловой поток, как и

25

30

в случае 1, направлен от поверхностного сло  плазмы, где температура остаетс  по-прежнему выше, чем на поверхности издели . Максимум температуры находитс  в непосредственной близости, возможна длина пор дка нескольких столкновений ионов поверхностного сло  издели , например ионов металла, в то врем , как температура поверхностного сло  кристаллической решетки металла или его окислов не превышает, по крайней мере , температуры кипени , поэтому . градиент температур очень велик. Это обсто тельство относитс  к случа м 2 и 3.

3

4. При высоких частотах скин-эффект про вл етс  полностью. Плотность тока имеет максимум на периферии и нулевые значени  в центральной части. За счет экранировки плазмой индукционный нагрев отсутствует Вс  электромагнитна  энерги  поглощаетс  плазмой, прозрачность которой стала нулевой. Наблюдаетс  известный ВЧИ-радр д. Нагрев металлического издели  происходит только за счет кондуктивно-конвективного процесса переноса тепла. Важно отметить , что в этом случае температура поверхности резко снижаетс , потому что градиент температур по радиусу цилиндрической полости в районе границы газ-твердое обусловлен не вихревыми токами, протекающими по поверхностной ВЧ-плазме, а коэффициентом теплоотдачи от ВЧИ-плазмы внутри которой практически отсутствует электромагнитное поле. Этот градиент определ етс  уже не толщиной зоны ионизации, а толщиной гидродинамического пограничного сло , имеющего при малых скорост х размеры , сравниваемые с размером тела - издели . Следовательно, удельный теп ловой поток резко снижаетс . Снижает с  и скорость парообразовани , а значит, и скорость очистки. Изделие в этом случае опутано паровой низкотемпературной , относительно температуры плазмы, рубашкой. Поверхность издели  в этом случае будет оплавл тьс , оплавленна  поверхность перегреватьс  до кипени  и достаточно слабо испар тьс .

Создание потока газовой атмосферы через полость индуктора, стабилизаци  ВЧ-плазменного разр да, образующегос  при условии частично прозрач ной дл  пол  плазмы и  вл ютс  теми приемами, которые необходимы дл  достижени  качественной очистки поверхности .

Принципиальные отличи  предлагаемого способа очистки металлических изделий от используемого в насто щее врем  способа индукционной очист ки, при котором изделие пропускают через сквозную цилиндрическую камеру индуктора и нагревают его токами высокой частоты, заключаетс  в том, что процесс очистки ведетс  не за счет термомеханического разрушени  пленки хрупких окислов, а за счет высокоэнергетических электрофизичес272804

ких процессов, протекающих непосредственно на очищаемой поверхности, при этом происходит не частична  очистка путем механического удалени  5 окалины, а полна  очистка поверхности путем испарени  любых загр знений при минимальных затратах энергии, в результате чего поверхность не только очищаетс , но и активируетс ,

)0 благодар  чему возможно качественное проведение многих последующих технологических процессов, в том числе таких чувствительных к состо нию поверхности , как плакирование и нане 5 сение покрытий.

Пример 1, Металлическое изделие , например, проволоку 1 (фиг,1) пропускают через сквозную цилиндрическую полость 2 индуктора 3, пита2Q емого от генератора А высокой частоты . Под действием индуцированных в проволоке 1 вихревых токов температура ее поверхности увеличиваетс  - происходит процесс нагрева проволоки.

25 Одновременно с нагревом проволоки в полости 2 создают поток газовой атмосферы . При этом в поверхностном слое газовой атмосферы, прилегающем к нагретой поверхности проволоки, по вл ютс  свободные носители за30

5

0

5

р да.

Количество и природа этих носителей определ етс  множеством факторов: количеством и составом загр знений,состо нием поверхности, физико-химическими свойствами основного металла и газовой атмосферы и, наконец, такими управл емыми параметрами, как температура поверхности, индукци  магнитной составл ющей и напр женность электрической составл ющей электромагнитного пол , а также его частота. Тем не менее можно отметить, что на границе раздела газ-тверда  поверхность , первоначально наход ща с  при температурах выше газовой (400- 1000 С), по вл ютс  следующие носители зар да:

-электроны (термо- и автоэмиссии) за счет локальных неоднородностей

электрической составл ющей,

-ионы двух- и более атомных газов , адсорбированных поверхностью металла, окислами, органическими загр знени ми (О. , СО, N, и др,),

-радикалы, по вл ющиес  в результате пиролиза органических загр знений .

Высока  частота способствует про влению неравновесных  влений, в том числе и дополнительной ионизации, В результате активации границы поверхностного сло  газовой атмосферы и поверхности издели  - проволоки по этой границе начинает протекать электрический ток, что приводит к разогреву этого поверхностного сло  газовой атмосферы, В дальнейшем процесс развиваетс  быстро: превалирующим  влением становитс  термическа  ионизаци , температура растет, йроводимость сло  также возрастает и происходит возбуждение БЧ-плазмен- него разр да непосредственно на поверхности ,

Дл  организации упор доченного стационарного ВЧ-плазменного разр да необходимо стабилизировать его : путем , например, создани  определек- ной аэродинамической обстановки в полости индуктора 2. Пространственно-временную стабилизацию ВЧ-плазмен него разр да обычно осуществл ют аксиальным , тангенциальным, распреде-,. ленньм или транспирационным вводом .газовой атмосферы. Наиболее эффективной , как показал эксперимент, дл  предлагаемого способа  вл етс  така  стабилизаци , при которой газовую атмосферу подают тангенциально и организуют в полости, где происходит разр д, вихревое движение газа 5. Дальнейшую стабилизацию разр да в процессе очистки поверхности , проволоки осуществл ют регулированием расхода газовой атмосферы в генераторе этой атмосферы 6„ При условии выполнени  предлагаемых технологических приемов разр д локализуетс  и принимает форму, близкую к показанной на фиг. 1 (позици  7)

Под действием высокой температуры ВЧ-плазменного разр да (), превыш ающей температуру кипени  любо го вещества при давлени х, близких к атмосферному, происходит испарение сло  загр знений на поверхности металла . Металл также начинает испар тс , благодар  чему поверхность его полностью не только сжижаетс , но и дополнительно активируетс , что особенно важно дл  последуюшёго технологического процесса плакировани  и нанесени  различных покрытий. Характерно , что согласно предлагаемому

д

0 з

0

5

0

5

способу очистки, происходит саморегу- лкрсвание процесса испарени .

Увеличение скорости испарени  приводит к эмиттированию в зону разр да ионовр что не только снижает потен- диал ионизации плазмы, но и одновременно уменьшает температуру разр да Из-за противоположного действи  этих факторов степень ионизации и электропроводность разр дной зоны практически не мен етс . Поскольку основна  дол  в проводимости разр дной зоны обусловлена металла , этот механизм саморегулировани  замедл ет испарение чистых металлов и ускор ет испарение неметал- личзсккх загр знений .

В св зи с Гч .- что разогрев ВЧ- плазмы происходит за счет замкнутьЕх в ней зихревых токовэ неравномерность удалени  загр знений и глубокие измененрт  в структуре основного мет.лла полиостью устран ютс , так как отсутствуют локально .действую- ш,ие приэлектродные  влени .

Продукты очистки вынос тс  из зо- Hbi очистки и нагрева потоком га-зовой атмосферы.

Кроме того, образующа с  по этому способу чиста  металлическа  поверх- ко сть .издели  5  вл юща с  к тому же активированной, способствует проведению физико-хикической обработки поверхности 3 которую пров.од т в зависимости от в ид, а последующего технологического процесса путем выбора соответствугощего состава газовой атмосферы . Газовую атмосферу по этому способу выбирают инертную, восстановит ел ьыую, .тзбирательно-окислительную либо химически активную о Необходимые дл  последующих технологических процессов газы 8 подают в генератор 6 газовой атмосферы.

Пример 2, При послед тощей за очисткой технологической опера- цие - плакировании, способ осуществл ют следующим образом.

Ста.пьную проволоку 1 (фиг, 1) диаметром 6 км пропускают через сквозную цилиндрическую камеру из плавленного кварца диаметром 20 мм, длиной 200 мм„ Индуктор состоит из 5 витков seднoй трубки и охватьшает кварцевую камеру. Индуктор подключен к генератору мощностью 10 кВт, Одновременно с нагревом проволоки в камере создают поток аргона с расходом.

7

1 л/мин. Поток газа направл ют через камеру тангенциально и стабилизируют вихревым потоком аргона ВЧ- плазменный разр д. Дл  указанных диаметров цилиндрической камеры (20 мм) и издели  (6 мм) выбирают частоту из услови  частично прозрачного дл  пол  ВЧ-плазменного разр да . Дл  температуры аргоновой плазчл

мы (7-9) 10 К толщина скин-сло  на частоте 1 МГц составл ет 25 мм, что удовлетвор ет условию прозрачности плазмы, поэтому поле .проникает до проволоки, происходит интенсивный индукционньй нагрев, тшазменньм перегрев и очистка поверхности от загр знений . Поверхность не только оч щаетс , но и активируетс . Газова  атмосфера выбрана в данном случае нейтральной. Далее проволока с нагр той активированной поверхностью поступает в среде аргона, например, к роликам, накатывающим алюминиевый порошок на активированную поверхность стали. После деформационной обр аботки плакированного издели  получаетс  готовый продукт - биметаллическа  сталеалюминиева  проволока .

Пример 3. Дл  последующего за очисткой технологического процесса - науглероживание поверхности проволоки, провод т те же операции, что и в примере 1 и 2, только в качестве газовой атмосферы используют оксид углерода - СО. В результате плазмохимическйх реакций поверхност проволоки насыщаетс  углеродом,твердость ее увеличиваетс . По мере остывани  проволоки ее режут на мерны длины - заготовки.

Пример 4. Дл  последующего за очисткой технологического процесса - пайки стали с медью, провод т те же операции, что и в примере 1 и 2, только в качестве газовой атмосферы выбирают смесь газов

Аг и BFj. В результате плазмохимическйх реакций поверхность не только очищаетс , но и насыщаетс  ионами и атомами F, благодар  чему улучшаетс  качество соединени  сталь - медь при условии, что медна  поверхность достаточно чиста и не обра2272808

батываетс  перед пайкой или пайко- сваркой. Частоту то.ка в св зи с малым вли нием BF на проводимость

можно оставить той же - 1 МГц. 5 Пример 5. Дл  последующего за очисткой технологического процесса - волочени , провод т те же операции , что и в примерах 1 и 2, только в качестве газовой атмосферы ис- 10 пользуют промышленные защитные газы, например 5% СО, 10% СО, 15% Н, 0,3% СН, остальное N, . Очищенную проволоку подвергают в дальнейшем, например , оксалатированию, нанесению f5 смазочного сло  и волочению.

Предлагаемый способ очистки поверхности металлических изделий обеспечивает по сравнению с известными воз- - можность полной очистки поверхности 20 изделий от окислов, органических веществ, адсорбированных газов, а также активации поверхности дл  ши- . рокого класса технологических процессов: плакирование, напыление, на- 25 несение промежуточных технологических покрытий (меднение, цинкование, л окение, оксалатиродание, желтение); возможность совмещени  процессов очистки и нагрева, что позвол ет подавать издели  непосредственно к агрегатам дл  выполнени  операций прокатки, волочени , обработки в расплавах , а также возможность качественной автоматизации процесса очистки в св зи с малой инерционностью процесса и легкостью управлени , например , изменением частоты, мощности электромагнитного пол , кроме того, малые производственные площади, удобство размещени  необходимого дл  реализации этого способа оборудовани  в непрерывных технологических лини х , возможность удалени  дисперсных порошкообразных продуктов очистки метизом пневмотранспорта и в принципе использование этих порошков в безотходном технологическом цикле; возможность проведени  физико-химических методов обработки поверхности изделий в процессе очистки, так как повьщ1ение качества очистки приводит к интенсификации физико-химических процессов на поверхности из- .делий.

30

35

40

45

50

ZI

I

(0.1 МГц

tpui. 2

) (

16

J

:::x

r.frm7//A,y////M.

.V

тпГц

/

7

с(5МГц

15

L/Z/A

2

{20/1Гц)

Xr

16

Claims (1)

1. СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ, включающий пропускание изделия через сквозную цилиндрическую полость индуктора и его нагревание токами высокой частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения качества очистки, к индуктору подводят напряжение в диапазоне частот, соответствующем области частично прозрачной для высокочастотного поля плазмы, в пределах которого возникает и поддерживается высокочастотный плазменный разряд на очищаемой поверхности, при этом в полости индуктора создают поток газовой атмосферы. ф ho ьэ м

   N3 00

   Фиг.}