автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка способов активного контроля и автоматизация процесса ионной цементации легированных сталей

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВШШ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Н.Э. БАУМАНА

На правах рукописи

Для служебного пользования

экз. а

СМИРНОВ АНДРЕЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ . ПРОЦЕССА ИОННОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ЛЕГИРОВАИШ СТАЛЕЙ

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка

металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1991

Работа выполнена в Московском ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Государственном Техническом Университете имени Н.Э. Баумана.

Научный руководитель; профессор, доктор технических наук

Н.Ы. РЫЖОВ

Официальные оппоненты: д.т.н,, проф. Ышкевич А.Н.

к.т.н., с.н.с. Мулякаав-Л.М.

Ведущбе предприятие: ШЛО "Союз"

Защита диссертации состоится ( '¿^¿■■'/-и- Х991 года на заседании специализированного совета К 053.16.13 Московского Государственного Технического Университета ш. Н.Э. Баумана по адресу: 107005, Москва, 2-я Бауманская, Б.

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библдатеге МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Хелавдие присутствовать на защите должны заблаговременно известить совет письмом заинтересованных организаций на имя председателя совета- Телефон для справок 263-65-14.

Автореферат разослан 1991 года.

Ученый секретарь

специализированного совета,

кандидат технических наук, доцент ^ Шубин И.Н.

Подписано к печати 8.07.1991 Заказ X З^л'

_ Ойъем I п.л. Тираж 100 вкз.

Ротапринт МГТУ им. Н.Э. Баумана

ОБЩ ХАРАКТЕРИСТИКА ГЛБОТН

Актуальность проблема. Порншешэ технического уровня и эффективности производства требуют создания приншшиаяыю новой техтотаи и технологии с использованием высокоэффективных методой поверхностного упрочнения деталей машин.

К числу новпх процессов поверхностного упрочнения, отвечавших •требованиям гибкой, интенсивной и 3-.ieproc6epsrara.eft технологии, относится химико-тер/лчеикая обработка (ХТО), осуществляемая я тлевдем разряде - ионная цементация (ИЦ) и ионная т'тронеигантацмл (ИЩ). признанные самими приоритетными способами фор;.в»ройяпи.ч диффузионных покрытий высокояагруженишс деталей мягаин в условиях серийного производства.

Процессы ионной ХТО в 2,5-4 раза гчтонсифицирукт диффузионное насыщение, ограничивая его 1-4 часами, повышают качество да{фузнойных слоев, (почти в % раза увеличивают износостойкость и контактную выносливость), значительно (на 80-90 %) сникают расход электроэнергии к технологических газотз.

Вместе с тем высокие потенциальные возможности новых процессов не реализуются из-за отсутствия научных представлений о внешнем массопереносе и взаимодействии газовой среда, активированной тлеющим разрядом, с насыщаемой поверхностью металла, что объясняется сложностью и многообразием процессов в прикатодной области. ">то затрудняет понимание механизма формирования диффузионного слоя, управление его фазовым составом и свойствами.

Из-за специфики ионной ХТО - отсутствия термодинамического равновесия между ионизированной средой и насыщаемой поверхностью -особую значимость приобретает проблема контроля состава атмосфера и управления процессом диффузионного насыщения.

Следует отметить, что управление ионной ХТО осуществляют путем регулирования больного числа технологических параметров. В результате высокая стабильность и качество диффузионных слоев могут бить обеспечены только при использовании автоматизированной системы управления.

Для создания научных основ управления новым технологически?.! процессом требуется проведение исследований, направленных на изучение физической сущности процессов в прикатодной области тлеющего разряда на основе современных методоз диагностики низкотемпературной плазма.

Свойства тлеют,-его разряда (высокая напряженность электрячес-

кого пола, локальность процессов) обусловливают необходимость применения бесконтактных спооосЗов диагностики. Особую актуальность в связи с этим приобретает использование спектрально-оптического способа, исключающего возмущащие воздействия на процесса, протекающие в прикатодной области тлеющего разряда.

Цель данной работа - повышение эффективности процесса ионной цементации и качества диффузионных слоев на основе разработки способов активного контроля и управления процессом науглероживания путем регистра^ спектров оптической эмиссии тлеющего разряда.

. В работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Определение основных частиц тлеющего разряда при ионной

ХТО.

2. Установление компонентов, определяющих массоперенос углерода при ионной цементации и изучение закономерностей измене- . ния интенсивности их оптических спектральных линий во время насыщения .

3. Исследование связи кинетики эмиссионных спектров частиц тлеющего разряда с изменением химического и фазового состава поверхности при ионной цементации келеза и легированных сталей.

4. Разработка эффективных способов активного контроля и управления технологическим процосом ионной цементации, основанных на регистрации спектров оптической & миссии тлещего разряда, а „таило прибора многофункционального назначения, реализующего указанные способы.

5. Разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом ионной ХТО на базе мшш-ЭШ с использованием многофункционального прибора спектрального контроля.

. I) енергетическом анализе возможных путей образования частиц при цементации и нитроцементации, показывающем, что углерод и азот могут доставляться к поверхности металла как в виде потока ионов и атомов, так и через гетерогенные реакций - в вида потока химически активных частиц (ХАЛ), образование которых энергетически выгоднее образования ионов; . •

2) анализе закономерностей изменения оптического эмиссионного . спектра при ионной цементации, устанавливающем пропорциональное соответствие между науглероживавдей способностью газовой среда и интенсивностью спектральных линий углеродсодержацих частиц;

3) разработке гипотезы о массопереносе при науглероживании

| сталей в ионизированной атмосфоре, предаголагаюцей существование на насыщаемой поверхности гршшчного слоя в виде комплекса Ре.гог, находящегося в динамическом равновесии с газовой средой и насилие-мни металлом; тагашна граничного слоя растет по мере увеличения концентрации углерода в твердом растворо и резко возрастает при достижении предельной растворимости;

4) разработке принципа активного контроля и управления науглероживающей способностью ионизированной атмосфери, основанного на измерении и поддержании на заданном уровне путем регулирования расхода газов ишепииввости излучения оптических спектральных линий углеродсодергсащих частиц, ответственных за "озультят насыщения;

5) разработке принципа активпого контроля шдедония избыточных фаз при ионной цементации сталей (карбидообразовагше, сажевн-деленда), основанного на резкой уменьшении интенсивности излучения оптических спектральных линий распыленного келеза.

Практическая ценность, работа заключается в следующем. • .

1. Разработана я изготовлена автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТШ иоилоЯ ХТО на базе мини-ЭВМ, создана алгоритма и программы ее ¡функционирования, позволяющие реализовать в автоматизированном режиме диффузионное насыщение, по изменявшимся во времени параметрам, что повышает эффективное гь и расширяет технологические возможности ионной ХТО.

2. Разработан способ активного контроля и управления составом, ионизированной газовой атмосферы при цементации, обеспечиващий требуемую науглероживающую способность атмосферы непосредственно у поверхности обрабатываемых деталей независимо с г площади насыщаемой поверхности и изменения во времени ее поглощакщей способности.

3. Разработан способ активного контроля выделения избыточных фаз (карбидообразование, сазкевнделение) при ионной цементации сталей. Высокая достоверность обнаружения начального момента выделения изСыточннх фаз при цементации составляет основу высокой стабильности и качества диффузионных слоев.

4. Разработан и изготовлен опытный образец многофункционального прибора спектрального контроля технологического процесса конной ХТО, встроенный в автоматизированную систему управления и реализующий указанные .способы.

Разработанные способы контроля и АСУ ТП реализовали на лабораторной и отгаго-прошшлэшгой установках ионной ХТО. Па этих

устшююигах обработаны партии иро^зводотвбашх деталей. Получена доШзиоккые слои стабильного и высокого качества с заданным фазо-внм составом и требуеким распределением концентрации углерода.

Внедрение разработанных способов контроля и устройств для их реализации позволит сократить затраты при разработке новых технологических режимов, а также получать диффузионные слои стабильного и высокого качества с требуемыми характеристиками. Ожидаемый годовой.экономический аффект от внедрения составит 95200 руб.

Апробация работы, Результаты работы доложены и обсуждены на научных семинарах кафедры "Металлы и сплава" МГТУ им. Н.Э. Баумана, I и II Всесоюзных научно-технических симпозиумах "Современное электротермическое оборудование для поверхностного упрочнения деталей машин и инструментов" (Саратов, 1988, 1390) и 7-м Международном конгрессе по термической обработке материалов (Москва, 1990).

Публикации, Ба результатам выполненных исследований опубликс вано 6 печатных работ, получены 3 авторских свидетельства и положительное решение по заявка.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 95 наименований и приложения; содержит 122 страницы машинописного текста, 69 рисунков и Б таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой'главе на основе литературных данных приведены основные характеристики и особенности тлеющего разряда. Изложена специфика ионной ХТО, заключазацаяся в наличия вблизи обрабатываемой поверхности термодинамически неравновесных концентраций нейтральных, возоуздешшх я заряженных частиц. Многовариантность образования и гибели частиц проявляется в реализации множества взаимодействующих между собой каналов физико-химических и химических процос-сов, сосредоточенных в крайне узкой (0,5-2- мм) области катодного падения потенциала. Высокая энергия падающих на катод частиц обусловливает их специфическое физическое, а в ряде случаев, и химическое взаимодействие с поверхностью.

Аналитический обзор зарубежной и отечественной литературы по существующим способам контроля и управления процессами диффузионного иасшцения показал, что ряд особенностей тлеющего разряда (высокое напряжение на обрабатывавши деталях, отсутствие равновесия ионизированной атмосферы и насыщаемого металла, локальность происходящих процессов) дэлает невозможным использование известных конструкций датчиков активного контроля иашщ^тя.

Свойства разряда обусловливают необходимость использования для управления ионной ХТО бэсконтактпнх способов контроля технологического процесса, в частности, масс-спентрометрпческого и спектрально-оптического способов. Сдактралыю-опгаческий способ контроля обладает неоспоримыми преимуществам! перед масс-спектрометря-чвеготм в связи с высокой информативностью, полным отсутствием каких-либо возмущений контролируемого объекта, отсутствием тобхо-дпмости переделки технологического оборудования и простотой реализации.

Опубликованная информация об исследованиях спектров оптической эмиссии касается только процесса ионного азотирования В литературе отсутствуют даннме о спектральных: исследованиях ионной цементации (нятроцементации) и использовании спектрально-оптического способа для контроля и управления процессами ионной ХТО.

На основе обзора литературйых данных о&эрмулиров'тн цель настоящей работы и направления исследований. ■

Ео второй главе приведено описание оборудования и методики исследований.

Спектралыш исследования тлеющего разряда проводили в процессе насыщения образцов я промышленных деталей на универсальной установке ионной ХТО. Система электропитания установки обеспечивала два способа нагрева деталей (максимальная температура -1300 °С): непосредственный - энергией тлеющего разряда и радиационный - излучением от нагревателей сопротивления, установленных в камере тлеющего-разряда (КТР).

Газовая система оснащена тремя магистралями, 'дозволяющими тонко регулировать расход и химический состав рабочих газов. В качестве компонентов технологической атмосферы использовали: при Щ - углеводород (ацетилен или пропан-бутановую смесь), аргон и водород; при ионном азотировании - диссоциированный аммиак или азотно-водородауы смесь; при ГОЩ - углеводород и аммиак (азот ¡г водород).

Для спектральной диагностики тлеющего разряда универсальная установка ионной ХТО оснащена вычислительным спектральным комплексом КСВУ-23 производства ЛОМО, работающим в диапазоне 200-2000 им с мшккалышм гаагом 0,0033 ил и имевшим обратную линейиуп дисперсию 1,3 км/км.

Спектральные исследования тлеющего разряда включали:

I) идеи-ификацш возбужденных частиц при цементации, азотировании и нктроцомонтации;

2) определения конце ¡¡'¿рати электронов;

3) исследование юшвтчшк интенсивности эмиссионных спектров частиц при цеменшцш в атмосферах различного химического состава.

Идентификацию частиц тлеющего разряда выполняли путем анализа спектра излучения ионизированного рабочего газа.

Определение концентрации электронов пф в тлеющем разряде осуществляли jio увиренкю в результате линейного штарк-эффекта спектральной линии водорода н^ 486,133 гол.

Кинетику интенсивности эмиссионных спектров частиц тлеющего разряда исследовали в процессе науглероживания массивных образцов теплостойких сталей 20ХЗМВ&А и 16ХЗНВФМБ и фольги технического железа в атмосфере ацетилена, разбавленного газовой смесью аргона и водорода. Технологические рекимы насыщения приведены в таблице.

1гао -

400 - 1333 Па I

0,25 - 3 % i

О - ВО % i

300 - 1000 В I

4-8 Вт/СМ3 i 0,6-1 ВТ/CM2 J

Время насыщения варьировали от нескольких минут до 4 часов.

Исследования структуры диффузионного слоя и поверхности науглероженного металла вщдаали металлографические исследования на оптиче"ком и растровом електронном микроскопах.

Исследования тонкой структура приповерхностной зоны цементованного слоя проводили на тонких фольгах, приготовленных с помощью одностороннего травления, на електронном микроскопе jmsoox.

Распределение углерода по толщине диффузионного слоя определяли спектральным методом на эмиссионном спектрометре фирмы "BAIRD" при послойном анализе с точностью ± 0,02 %. .

Химический состав приповерхностной зоны диффузионного слоя исследовали на растровом электронном микроскопе самзсая серии 4. Распределение легирующих элементов на насыщаемой поверхности определяли энергодисперсиоиннм рентгеновским спектрометром LINK, лмю/вад, содержание углерода - кристалл-дифракционным спектрометром MICBOSPEC WDX-3ÍC.

Распределение углерода в тонком поверхностном слое (до 40 ш)

Температура образца Давление в камере тлеющего разряда Объемная концентрация углеводорода Объемная концентрация водорода Напряжение горения разряда Удельная мощность разряда

- при нагрева тлеющим разрядом

- при радиационном нагреве

определяли измерением Оке-спектров, записаннчх на сканирующем Оке-микроскопе uix-iosam в пятне диаметром ~1 им при ионном травления поверхности, точность анализа составляла i I %.

В третьей главе приведены результаты исследований закономерностей маесопереноса при цементации в ионизированной отмосфорв.

При использовании спектрального анализа, выполненного с помощью комплекса КСВУ-23, определены основные компоненты катодной области тлэмцего разряда при цементации, азотировании и нптроцс-мвнтации. Эмиссионный спектр содержит спектральные лтаии как частиц газовой фазы, так и частиц распыленного металла.

Расчет и сопоставление запаса углерода в КГР и количества углерода в диффузионном слое показывают, что определенная экспериментально по ушрению линии водорода степень ионизации газозой атмосферы не может обеспечгть коэффициент использования углерода, необходимый для формирования слоя. Нейтральные частицы оказывают определяющее влияние на процессы маесопереноса и науглероживания; интенсивность их спектральных линий отражает состав,атмосфера и «е насыщающую способность.

На основе сопоставления" кинетики эмиссионных спектров с результатами исследований фазового и химического состава поверхностной зовы цементованного слоя был установлен характер превращений пгп науглероживании.

Обобщенная по ряду экспериментов зависимость интенсивности спектральных линий основных частиц катодной области тлеющего разряда при цементации легированных сталей и железа в атмосферо Аг-Н2-сгН2 от времени насыщения представлена на тасунке.

В соответствии с характером изменения спектральных линий железа можно выделить два этапа процесса цементации: насыщение твердого раствора и науглероживание в присутствии избыточной карбидной фазы. Окончанию первого этапа соответствует момент времени, обозначенный на рисунке как апр<эд, для которого характерно значительное уменьшение (более 50 %) интенсивности эмиссионного спектра железа. Развитию второго этапа (при ^>тпред) соответствует плавное уменьшение интенсивности линии Ро вплоть до момента вр дани ч^, при котором наблодазтея сажевыделенда на поверхности насыщаемого металла. При сакввыделенпи отмечается заметное увеличение интенсивности спектральных линий сг.

О до ста :ении предельной растворимости углерода в аустегшт^-при времени насыщения тпрад свидетельствуют данные мзт&ялографм-

чэского анализа и исследований на растровом электронном микроскопе | поверхности и поперечного сечения насыщенных образцов. Снижение интенсивности спектральных линяй Ре при т=гпред связано с появлением первых кристаллов избыточной фазы.

§5

ч

¡2 ^ С ь V-

■ I !

Кинетика эмиссионных спектров основных частиц при цементации (концентрация н2>10 об. %)

Для объяснения процессов, приводящих к блокированию катодного распыления железа при достижении предельной растворимости углерода в аустеките, предложена гипотеза об образовании на насщавмой поверхности граничного слоя.

В процессе науглероживания Еблизи поверхности металла формируется газовый слой Нернста, физические свойства которого сущест-■ вешо отличаются от аналогичных свойств.газовой смеси. Под слоем Нернста образуется граничный слой, который соприкасается с поверхностным слоем металла. Состояние граничного слоя на насыщаемой поверхности при цементации в смеси аргон-водород-углеводород должно определяться динамическим равновесием процессов направленного массопереноса и адсорбции Ш, катодного распыления и ре адсорбции, а также диффузией адсорбированных атомов через поверхность.

Для изучения ■ закономерностей формирования граничного слоя . были предприняты исследования поверхности металла после насыщения. Спектральный Оае-анализ и электроняомикроскопические исследования тонкого поверхностного-слоя технического Ее ¿¿осле науглероживания и охлаждения по различным режимам показали наличие в приповерхностной гоне металла повышенных'концентраций углерода с сущестзо-

ванке там тонких слоев цементита и пироуглерода.

При выключении разряда обладающий высокой диффузионной подвижностью водород достаточно быстро покидает поверхностные слои металла, в том числе - граничный слой, в результате чего последами превращается в тонкий слой карбида железа. Углеродсодержащие ХАЧ и атомы распыленного Ре, содержащиеся в слое Периста, взаимодействуя между собой на поверхности граничного слоя, формируют более толстый карбидный слой. Пиролиз углеводорода при этом не наблюдается.

При насыщении аустеюгса до концентраций, превышающих предельную растворимость углерода, вследствие блокирования катодного распыления резко уменьшается концентрация распиленного железа в газовом слое Нбрнста. В этом случае после выключения разряда углеродсодержащие ХАЧ образуют на поверхности трагичного слоя углеродную пленку, на которой при дальнейшем охлаждении происходит разложение углеводорода газовой фазы. После удаления слоя пироуглерода Оте-анализу подвергали тонкий карбидный слой - продукт превращения граничного слоя. .

На начальной стадии насыщения - науглероживании твердого раствора, градиент концентрации углерода между граничным слоем ¡1 поверхностным слоем металла велик, что способствует быстрой диффузии углерода в твердый раствор. В этих условиях граничный слой тонок и практически не препятствует катодному раегшлэнию аустени-та. При насыщении до предельной растворимости углерода и' образовании кристаллов избыточной фазы градиент концентрации в поверхностном слое металла уменьшается, что приводит к заметному уменьшению диффузионного отвода из граничного слоя- Быстрое увеличение его толщины и концентрации в нем углерода блокирует катодное распыление аустенита.

Можно предположить, что граничный слой представляет собой химический комплекс ■переменно!« состава Ре,сн , образованный адсорбированными атомами углерода и водорода и реакционно активными aTOMaf.ni металла. О существование граничного слоя на поверхности науглероживаемого металла свидетельствует изменение интенсивности эмиссионного спектра распыленного железа при уменьшении подводимого к поверхности штока углерода (например, при выключении подачи углеводород«). Уменьшение толщин граничного слоя вследствие диффузионного отвода углерода от поверхности и катодного распыления приводит к быстрому, восстановлению интенсивности эмиссионного спектра железа.

Ншшчио на поверхности металла граничного слоя с повышенным схчьртии'Ш углерода обеспечивает постоянно высокое значение градиента концешрящи и, тем самим, високую скорость диффузии углерода vipeo поьерхжють. Это является одаой из причин ускорения иаугдародаладнш» при цементации в тлоюцем разряде.

Изуч^тгз чшмтаки эмиссионного спектра распвлешюго железа дало возмокдость установить влияние водорода на процессы при науглпрокившии и определить рациональную его концентрацию в тех-ыяюгеческой ммосфзре. Анализ полученных зависимостей позволяет рекомендовать для ионной цементации газовые атмосферы, содержание 50 об. % водорода. Совместное действие катодного распыления и удаление избытка углерода с поверхности в виде радикала СИ эффективно противостоят сяжевыделению, что дает возможность формировать диф-фузионше слои с. избыточной фазой без опасности сажевыделения.

пнтпнсрттости слектральннх лилий распыленного железо »{« цементация в обэлпепншс водородом смесях несколько отличяогея от характерного для обогэшетшнх водородом атмосфер (см. раоувок). Пн кинетических кривнх резкое уменьшение интенсивности совпадает по времени с сакешлелеипем на насыщаемой поверхности. При малой концентрации водорода (до ТО об. 55) в газовой среде достижение предельной растворимости углерода в аустеките приводит к 'формированию. иа поверхности сплошного слоя цементита, блокирую-иого дальнейшу» поставку углерода к nonspxnocm металла и вызываемого сашвндоление.

Сггещфрр скоо гюье легок саз к тргш-кмх линий железа в момякт сакйвылолчшя позволяет исгользопчть одну на них для бескенуактно-го контроля сшшыделегом в обеднешш. водородом атмосферах (а. с. № 15844ГЮ, IS8C'. О начале сажввнд9*ечз* сдокотельетьует реокоз уменьшение интенсивности линии F*.

В иряодюю описание рэзрпботалзтх способов

активного коиiроля к управления цродлс-лм жпдой и^мектиши и шогс^уишюналького прибора для их опуг^ствлшгоя.

Контроль и регулирование состава иоктстрст-арвой атмосфорь; реализована на основе принщшоь спектрального анализа. В соответствии с зтйми принципами и с учетом результатов анализа стюктра миссии ирвдЕожено коотрс'Лироэат!. наенщанчуй способность иониаиро-ьашюй атмосЗ^рн по отвоситвльной юпешшости еяектр&шык.й лзник атомарного углерод.« и 1}о>к)ього излучения вО.-шзн а той лишга (а. с.

Л 18I9vO'y.

Установлено, что кинетика эмиссионного спектра расгашзннг "о железа отражает фазовые превращения на насыщаемой поверхности; высокое значение интенсивности сгядетельствует о насыщении твердо го раствора, резкое ее уменьшение - о начале карбидообразонания. Измерение интенсивности излучения спектральных линий распиленного Ре положено в основу разработанных способа активного контроля выделения избыточных фаз при иошюй цементации сталей (положительное решение Госкомизобретений по заявке Л 4775749/02/166551 от 29.12.89) и способа определения концентрации углерода в аустенито. Для определения концентрации используют плавное уменьшение интенсивности спектра по мере насыщения; резкое падение интенсивности свидетельствует о начале фазовых превращений.

Разработанные способы контроля и управления технологическим процессом ионной КТО в данной работа реализованы с помощью устройства многоцелевого назначения. На основе испытаний изготовленных опытных образцов были выбраны варианты конструкции, наилучшим образом отвечающие задаче активного контроля технологического процесса. Установлено, что более стабильными характеристиками и лучшими функциональными возможностями обладает прибор, использующий принцип модуляции светового потока.

Первый вариант прибора предусматривает поочередное поступление на катод фотоумножителя сравниваемых световых потоков, выделенных светофильтрами из спектра испускания, через отверстия бнет-ровращащегося диска-модулятора. Пульсирующий фототек в анодной цепи фотоумножителя определяется интенсивностью этих потоков. При использовании в качестве преобразователя Фототок-нанряжение лога-ритмического усилителя полученный после выпрямления переменной составляющей сигнал постоянного тока, пропорциональный логарифму .отношения интенсивноетей спотовнх штоков, используется для управления регулятором расхода газа. Тякал конструкция мошот применяться в автономном режиме, либо в составе АСУ ТП ионной ХТО.

Во втором варианте конструкции светофильтры, выделяйте из спектра испускания тлевшего разряда необходимые для контроля спектральное линии, закреплены в огворзтипх. диекп-мядулчтора. В результате на катод фотоумножителя последовательно поступают торче потоки, определяемые инг^нсштастью лолученяя п ьнлад^нных интервалах длин волн. ПульсирумяиЯ фототек улялигчсгся, пр"?оЛрчэу-ется (< иифрорую форму. и поступает в ЭГ!, котпряя плг,г>т несЛхог-»»уи

О^рл^г-'ГЬУ ИНф^р.МНГ'.ЧГ I! П1Д.:Г'Т 4.0-1 ¿-пр'.ПЛОНИЯ. Т'И'.Ч* ГУ- '/'Г.-'

решшше возмокно только при использовании малогабаритных абсорбционных или Интерференционных фильтров и требует обязательного управления от ЭВМ.

Оснааеюге универсальной установки ионной ХГО устройством, реалкзущим разработанные способы активного контроля и управления, д&то возможность за счет проведения контролируемого науглероживания «случать диффузионные слои с заданной наснщенностью и Фазовда составом. Предлагаемое устройство может быть использовано на всех установках ионной ХГО, осуществляющих процессы цементации и нитро-цоменгации, я попволит полнее реализовать технологические возможности этих процессов.

В пятой главе приведено описание универсальной установки ионной ХГО, оснащенной автоматизированной системой управления технологическим процессом на базе мши-ЗШ.

Б составе АСУ ТЛ ионной ХТО - специально разработанный интерфейс для сопряжения ЭВМ с обгектом управления, измерительные преобразователи (датчики) технологических параметров процесса, исполнительные мехашэки их регулирования, а тшеяе многофункциональный щмбор спектрального контроля.

Автоматизированная система управления предусматривает регулирование температуры поверхности деталей при двух способах их нагрева - анергией разряда и излучением нагревателей, давления газовой среды, ее состава и мощности тлокцаго разряда.

Для контроля температуры - важнейшего параметра процесса -используют три Независимых датчика: термопары, введенные в рабочее пространство КГР и сквозноз отверстие катода, и фотоэлектрический пирометр, измеряющий температуру поверхности'-деталей. Датчиком давления являета деформационный вакуумметр.

В основа исполнительных механизмов регулирования температуры и мощности тлеющего разряда - тиристорпые регуляторы напряжения. Для регулирования давления используют дроссельный • край с электромеханическим приводом, изменявдий проходное сечонис вакуумнровода откачной системы установки.

Управление составом атмосферы осуществляют а двух вариантах. Первый предусматривает жесткое поддержание расходов газов на заданном уровне без регулирования наешцащей способности техноло-глчоской атмосферы. Во втором варианте реализована гибкое управление регулятором расхода углородсодерлацего газа по сигнала;.; многофункционального прибора спектрального контроля, что дает возмож-

ность получать диффузионные слои стабильного и высокого качества с требувмшот характеристиками.

Управление АСУ ТП осуществляют в диалоговом рекимо и соотьет-ствии с алгоритмом, предусматривающим выполнение подготовительных операция, катодное распыление и диМузиишое иасшцеиие при двух способах нагрева: радиационном и энергией тлеющего разряда.

АСУ ТП ионной ХТО и многофункциональный прибор спектрального контроля использовали при разработке технологических процессов ИНН на малых образцах, насыщении образцов для механических испытаний и обработке партий промышленных деталей: обойм и сепараторов шарниров равных угловых скоростей легковых автомобилей ПО "АвтоВАЗ", аналогичных деталей самолетов ЛИТО им. В.Я. Климова и зубчатых колес авиадвигателей МАКБ "Темп". В основе длительной работоспособности упрочненных деталей лежит повышение стабильности результатов насыщения, получение равномерных по профилю детали диффузионных слоев и плавно снижающегося распределения твердости по толщине насыщенного слоя.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе сггоктрально-оцтической диагностики, выполненной с помощью вычислительного спектрального комплекса КСВУ-23, определены основные компоненты катодной области тлеющего разряда при цементации, азотировании и питроцементации. Из проведенного энергетического анализа возможных путей образования частиц следует, что углерод и азот могут доставляться к поверхности металла как в виде потока ионов и атомов, raie и в виде потока химически активных частиц; при этом образование последних анергеткчески выгоднее образования ионов.

Результаты спектрального анализа, а также сопоставление козф-фицаента использования углерода и степени иошгаащш газовой атмосферы показывают, что решающее влияние на процессы массопереноса и иауглерохивышя оказывают нейтральные часшш, интенсивность спектральных линий которых, отражает состав атмос^ры и ее насыщающую способность.

2. Рааработапа гипотеза о мжсоиьреюсе при науглорохчвадии сталей в ишнзщовашюй атмдоВДе, ярвдполчгзнцял сущостг/люи»? на нчещяемой поверхности граничного слоя л гиде комлликсч PotOH, находящегося в ди!1'.л;[!чоогмм раыюы:сми с га-м»к>Й ерздой » игллачй-мым vhtumw; 70J я*нп гршигню;'» слон расист тк» чей урелич'чпм Конпелт1,ч;а"И угЛ'-г.чх'м г п-ор/им i:v."ii • р>; и ормм т.ч.. г <'{•;»

достижошш предельной разтБоршюстп. Наличие на поверхности граничного слоя с пошившим содержанием углерода обеспечивает постоянно высокое значение градиента концентрации в приповерхностном [ слое, что является вакной причиной ускорения науглероживания при цементации в тлеющем разряде.

3. Подтверждены имеющиеся в литературе сведения о положительном влиянии на процесс науглероживания водорода, увеличение концентрации которого в составе технологической атмосфера сопровоада-ется увеличением Интенсивности линий радикала он. Установлена рациональная концентрация водорода (50 об. %), обеспечивающая наи-болылув скорость формирования диффузионных слоев с избыточной карбидной фазой без опасности сала выделения.

4. Установлено пропорциональное соответствие мэвду иауглеро-яивавдей способностью газовой среда при конкой цементации и относительной интенсивностью спектральных линий атомарного углерода.

На основе этого пропорционального соответствия разработан способ активного контроля и управления науглероживающей способностью ионизированной атмосферы, основанный на измерении и подержания на заданном уровне путем регулирования расхода утлеводорода относительной интенсивности излучения спектральных линий атомарного углерода. Такое управление обеспечивает требуемую науглерождаа-вдую способность атмосфера непосредственно у поверхности обрабатываемых деталей независимо от площади насыщаемой поверхности и изменения во времени ее поглощающей способности.

5. Разработаны способ определения концентрации углерода в аусгенцгв и способ активного контроля выделения избыточных фаз (карбадообразоваяие, сажеввделониэ) при ионной цементации сталей, основанные на лзмерания интенсивности излучения оптических спектральных линий распыленного железа. Высокая достоверность обнаружения начального момента выделения избыточных фаз при цементации составляет основу для формирования диффузионных слоев заданного' фазового состава. ' ■

6. Разработан и изготовлен . опытный образец многофункционального прибора, реализующего указанные способы активного контроля состава технологической атмосферы и процессов науглероживания. В основе прибора, работающего как в автономном режиме, так и в составе. автоматизировашой системы управления иошюй ХТО, использован принцип модуляции светового потока, наиболее полно реализующий функциональные вопмэасности управления технологическим ироцес-

сом. Оснащение универсальной установки ионной ХТО устройство.:, осуществляющим разработанные способы активного контроля а управления, дало возможность реализовать технологически возможности двухстадийных, комбинированных и циклических режимов насыщения и сократить время их разработки.

7. Разработана и изготовлена автоматизированная система управления технологическим процессом ионной ХГО на баз» мини-ЭВМ, оснащенная многофункциональным прибором спектрального 'контроля, реализующая в автоматизированном режиме контролируемое диффузионное насыщение при изменяющихся во времени параметрах, что поднимает на качественно новый уровень эффективность ионной ХТО.

8. Созданы алгоритмы и программы функционирования АСУ TI1 ионной ХТО, дающие возможность путем изменения технологических параметров (науглероживающей способности атмосферы, удельной мощности разряда и др.) управлять процессом насыщения и регулировать химический и фазовый состав диффузионного слоя, его свойства.

9. Автоматизированная система управления, оснащенная многофункциональным прибором спектрального контроля, использована при разработке технологических процессов насыщения производственных деталей. Получены диффузионные слои высокого качества с заданным фазовым составом и требуемым распределением концентрации углерода.

10. Результаты работы имеют универсальный характер и могут быть использованы при цементации и нитроцементации в тлеющем разряде. Внедрение способов контроля и устройств для их реализации на установках ионной цементации (нитроцементации) даст возможность наиболее полно реализовать технологические возможности новых режимов, сократить затраты при их разработке и стабильно получать диффузионные слои с требуемыми характеристиками. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения составит 95200 руб.

Основное содержание диссертации отражено в работах:

1. Опытно-промышленная установка для ионной цементации стальных деталей / А.Х. Макаров, М.В. Борисов, А.Е, Смирнов и др. // Авиационная промышленность. - 1985. - № 4. - С. 50-53.

2. Управление химическим составом, структурой и свойства»«) зубчатых колес при химико-термической обработке / Н.М. Рыков, P.C. Фахуртдиж®, А.Е. Смирнов и др. // Вестник машиностроения. - 1985. - й9. - С. 16-20.

3. Смирнов А.Е., Фахургдиноь P.C., Рыжов Н.М. Мини-&B5I для автоматизации процесса ионной цементации // Прсгрйсг'иьные методы

термической и химико-термической обработки сплавов. - М., 1987. - С. 32-35. - д.с.П. 4. Смирнов А.Е., Рыжов Н.М. Автоматизированная система управления технологическим процессом ионной химико-термической обработки ж;талой авиадвигателей // Авиационная промышленность. -198Э. - В 12. - С. 1Г.-ГЛ В. Смирно-;' А.Е., Рнжов Н.М. Способы оперативного контроля и регулирования технологического процесса ионной хгакко-терми-'шской обработки // Современное электротермическое оборудования для поверхностного упрочнения деталей малин К инструментов: Тез. докл. II Всасоюзн. науч.-технич. симпозиума, г. Саратов, 4-6 сент. I9S0 г. - М.. 1Я90. - С. 12,0-121. - д.с.п.

6. Control of ion oarliurizing process on the basic of analysis or optical emission spectra of glow-discharge plasma / B.N. Arr.amaeov, U.K. Ryshov, Л.В. Smirnov e.a. // 7th International congress си Heat Trqat№nt of Materials. - St., 1990. -

v. t. - p. г<!г-гчз.

7. A. c. I3IS407 ссор, гаг* с ?,з о 8/2.2. cnocod регулирования состава газовой среда при хтяко-тррмической обработке в тлеющем рззрядо / И.В. 'Кириллов, Н.М. Рыжов, А.Е. Смирнов и др.

- J6 3916107/22-02; Заяв-П. 27.06.85. - д.с.П.

'8. А. с. 1389320 СССР, МКЙ4 С, 23 С в/36. Способ ионной нитроне-ментации сталышх изделий / В.Т. Афанасьев, М.В. Борисов, А.К. Смирнов и др. - № 4076921/31-02; Валвл. IB.05.86. -д.с.п.

9. А. с. 1584430 СССР, С 23 С 8/36. Способ химико-термической обработки / А.В. Родионов, II.M. Гглков, А.К. Смирнов и др.

- Я 46093I-V3I-02; Задал. 24.11.88. - Д.С.П.