Устройство регулирования процесса ионного азотирования

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ИОННОГО АЗОТИРОВАНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Поболь Игорь Леонидович Татур Вадим Георгиевич Махмуд Шеху Ахмед Назарова Ольга Игоревна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство регулирования процесса ионного азотирования, содержащее камеру плазменного азотирования, систему напуска технологических газов, датчики давления и температуры, устройство ввода параметров процесса и блок управления процессом,отличающееся тем, что блок управления процессом включает инверторный преобразователь напряжения, выполненный на -транзисторах.(56) 1. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д., Шпис Г., Бемер З. Теория и технология азотирования. М. Металлургия, 1991. - 320 с. 2.В.// - . - 1974. - . . 29. - . 2. - . 105-112. 3. Арзамасов Б.Н., Братухин А.Г., Елисеев Ю.С., Панайоти Т.А. Ионная химикотермическая обработка сплавов. - М. Изд. МГТУ им. Баумана, 1999. - 400 с. 4. Крейндель Ю.Е., Пономарева Л.П., Пономарев В.П., Слосман А.И. Об азотировании анода в тлеющем разряде // Электронная обработка материалов. - 1983. -4 (118). - С. 32-34. 5.2020191 , 1994. 6../// 2/. (дата обращения 21.06.2011). 78972012.02.28 Изобретение относится к области химико-термической обработки металлов, в частности к устройствам управления установок ионного азотирования. Известно, что одним из наиболее перспективных способов низкотемпературного ионного азотирования является обработка металлических материалов в плазме тлеющего разряда, горящего в среде азота, иногда с добавками углеводородов, в частности, его усовершенствованный вариант - газотермоциклическое ионное азотирование в прерывистом режиме. При осуществлении данного способа благодаря использованию пульсирующего тока разряда и газотермических циклов насыщения приповерхностных слоев значительно сокращаются время обработки, затраты электроэнергии и реакционных газов,улучшаются эксплуатационные характеристики деталей, поскольку из-за низких температур и малых времен воздействия не происходит разупрочнения сердцевины изделий. Теоретические положения процесса азотирования к настоящему времени характеризуются двумя подходами. Первый из них сформирован как учеными школы Лахтина Ю.М., так и учеными немецкой школы 1, 2. Другой принцип сформулирован Б.Н. Арзамасовым с сотрудниками 3. Обе модели основаны на движении положительных ионов от анода к катоду. И в первой, и во второй модели образующим началом является бомбардировка поверхности металла положительными ионами азота. Это предполагает только один вариант полярности подложка может иметь только отрицательный потенциал. Как бы существенно не отличались эти модели, в них есть одно общее они обе основаны на движении положительных ионов в естественном направлении от анода к катоду. Таким образом, и в первой, и во второй модели образующим началом является бомбардировка поверхности металла положительными ионами активного компонента. Это предполагает только один вариант полярности деталь может служить только катодом. При ионной бомбардировке происходит интенсивное распыление поверхности подложки, что часто требует последующей механической обработки (шлифования, полирования). Исследования азотирования в газовом дуговом разряде низкого давления (дуговой разряд с накаливаемым катодом в качестве эмиттера электронов) показали, что азотирование подложек из армко-железа,хромистых сталей и титана в смеси -, а также стали Р 6 М 5 в азоте происходит в условиях поддержания необходимой температуры и в плавающем (отрицательном) потенциале, т.е. при отсутствии распыления поверхности, поскольку величина плавающего потенциала значительно ниже порога распыления железа 4. Качество обработки металла азотированием существенно зависит от соблюдения основных параметров режима - напряжения и температуры. До начала 80-х годов 20 столетия применялись водоохлаждаемые установки 6, в которых разряд достигался от постоянного тока (метод холодной стенки). Серьезным недостатком этого варианта являются большие различия температур в садке и, следовательно, большой разброс результатов обработки, а также сравнительно низкая плотность загрузки, высокое потребление энергии и тесное слияние термических и химических процессов. Существенный прогресс здесь удалось достичь в результате использования пульсирующего разряда 6. Пульсация уменьшает подачу энергии для установки и улучшает равномерность температур в садке. Сегодня промышленные установки оснащаются именно этим режимом пульсации. Типичными значениями для длительности импульса являются от 50 до 100 мкс, а для повторяемости импульса - 100-300 мкс. Известно устройство управления процессом азотирования (прототип), включающее камеру азотирования, систему напуска технологических газов, датчики тока, напряжения и температуры, схему формирования управляющего напряжения тиристорного регулятора напряжения на электродах разрядной камеры 5. Недостатком прототипа является то, что тиристорное фазовое управление позволяет регулировать мощность только на интервале в половину периода переменного сетевого напряжения (50 Гц) с синхронизацией, зависящей от нужной выходной мощности. Таким образом, минимальная дискретность управления выходной мощностью тиристорного ре 2 78972012.02.28 гулятора составляет более 10 мс, что не позволяет обеспечивать работу оборудования в режиме пульсирующего разряда из-за низкого быстродействия. Также недостатком прототипа является достаточно большие габариты тиристорного регулятора требуемой для реализации процесса мощности. Задачей полезной модели является увеличение надежности, управляемости и быстродействия работы оборудования ионного азотирования (увеличение КПД). Задача решается тем, что в устройстве регулирования процесса ионного азотирования,содержащем камеру плазменного азотирования, систему напуска технологических газов,датчики давления и температуры, устройство ввода параметров процесса, блок управления процессом блок управления процессом включает инверторный преобразователь напряжения, выполненный на -транзисторах (от англ. -биполярный транзистор с изолированным затвором). Транзисторымогут работать с высокой рабочей частотой, обеспечивая непрерывное управление выходной цепью и ее адаптацию к текущей нагрузке в режиме реального времени. Ширина полосы частот такого управления составляет более 1 кГц (то есть регулировка выполняется каждую миллисекунду - как минимум в десять раз чаще, чем при тиристорном управлении). Использование регулятора мощности, выполненного в виде инверторного преобразователя на-транзисторах, позволяет получать требуемую для режима пульсирующего разряда форму выходного напряжения при различных вариациях проводимости плазмы. На чертеже представлена конструктивная схема устройства для регулирования процесса ионного азотирования. Сетевое трехфазное напряжение, выпрямленное мостом Ларионова А 1, поступает через сетевой фильтр А 2 на инверторный преобразователь А 3, выполненный по полумостовой схеме. С выхода трансформатора преобразователя А 3, обеспечивающего гальваническую развязку от промышленной сети, переменное импульсное напряжение 500 В с частотой 25 кГц через токовый датчик А 4 подается на подложку камеры плазменного азотирования А 5. Величина тока азотирования задается методом регулирования длительности заполнения питающего импульса при неизменной частоте импульсов блоком управления процессом А 6, на входы которого подаются сигналы о величине тока с датчика А 4, температуре подложки с датчика А 7 и заданные величины параметров с устройства ввода параметров процесса А 9. Блок управления обеспечивает также работу системы напуска технологических газов А 8 в соответствии с циклограммой процесса азотирования. Предлагаемое техническое решение использовано при реализации метода ионноплазменного азотирования изделий из ряда инструментальных и конструкционных легированных сталей на Минском заводе колесных тягачей. Использование предложенного устройства регулирования ионного азотирования позволяет получать диффузионные слои нужного состава путем использования разных газовых сред, т.е. процесс диффузионного насыщения управляем и может быть оптимизирован в зависимости от конкретных требований к глубине слоя и твердости поверхности, при этом продолжительность обработки изделий сокращается в 2-5 раз по сравнению с прототипом. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3