Способ очистки поверхности металлических изделий

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (50 4 В 21 В 45 04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3781404/22-02 (22) 26.06.84 (46) 30.04.86. Бюл. №. 16 (71) Магнитогорский горно-металлургический институт им..Г,И. Носова (72) А.В. Иарченко, В.Л. Стеблянко, A.Ô. Солдатенко, В.Г. Селезнев и Г,Э. Аркулис (53) 621.77.02(088.8) (56) Ю.И. Коковихин и др. Технология волочильного производства. Подготовка поверхности металла к волочению:

Уч. пособие, Свердловск, изд. УПИ им. С.И. Кирова, 1979, с. 67.

„„SU„„1227280 A i (54) (57) СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ, включающий пропускание изделия через сквозную цилиндрическую полость индуктора и его нагревание токами высокой частоты, о. т л и ч а ю шийся 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.

12272

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано н метизнай промышленности для производства различных изделий в том числе: проволоки стальной и биметаллической, калиброванных прутков, длинномерных и мерных заготовок и др, Целью изобретения является повышение качества очистки.

На фиг. 1 изображена схема способа, на фиг. 2 — график распреде— пения плотности тока по радиусу полости индуктора для частоты 0,1 Мгц на фиг. 3 — то же, для частоты 1 Мгц, на фиг. 4 — тс же, для частоты 5 Мгц1 на фиг. 5 — то же, для частоты

20 Мгц.

Графики получены на основе экспериментальнь.х, расчетных и известных данных.

1. На относительно низкой частоте идет известный процесс высокочастотного нагрева, В газовой атмосфере плотность тока равна нулю. Внутри металлического изделия за счет поверхностного эффекта наблюдается бесселево распределение плотности тока от максимального значения до близкого к нулю в центре. Газовая атмосфера в связи с отсутствием проводимости прозрачна для электромагнитного поля. Передача тепла осуществляется от изделия к газовой атмосфере.

r c

2. При повышении частоты до апре- 3 деленного значения (1 МГц в данном случае) температура поверхности повышается. Следуют процессы развития

ВЧ-плазменного разряда, описанные ниже. Плотность тока в поверхностном слое резко увеличивается, плавна падая к периферии, Температура в газовом разряде столь же резко всзрасЦ о тает до значений порядка 10 С. Разряд стабилизируют. Далее идет стационарный процесс интенсивной счистки поверхности. Появление проводимости в газовой атмосфере приводит к частичному поглощению ею энергии электромагнитных колебаний, частичной потери прозрачности. Однако, так как толщина проводящего слоя мала, поглощение энергии очень незначительное (17). Основная часть мощности генератора потребляется на индукцион-Ы ный нагрев. Температура же в разряде более чем на два порядка превышает таковую на поверхности изделия.

ВО

Тепловой поток меняет направление и направлен ат газовой атмосферы к поверхности металлического иэделия.

Таким образом, часть поглощенной газовой атмосферой электромагнитной энергии опять-таки вкладывается непосредственно B поверхностный слой металлического изделия ° Происходит интенсивная очистка поверхности изделия.

3. Дальнейший подъем частоты приводит к развитию ВЧ-плазменного разряда. Область со значительной плотностью тока расширяется к периферии полости, толшина поверхностного слоя в металл|лческам изделии еще более уменьша.ется, Однако температура паверхнос.ти растет не в гой мере, как эта ожидается в отсутствии ВЧ-плазменного разряда. так как происходит значительная экраниравка разрядом металлического изделия. Поверхностный скин-эффект проявляется непосредственно на плазме ВЧ-разряда.

До 10-25Х электромагнитной энергии расходуется на ВЧ-плазменный разряд индукционнога типа. Эффект очистки поверхности металлического издЕлия па-прежнему проявляется, средняя температура газовой атмосферы повышается. Поэтому при дальнейшем повышении частоты энергии электромагнитного поля вкладывается не столько в процессы очистки и нагрева изделия, сколько в повышение энтальпии потока газовой атмосферы. Степень прозрачности ее значительно ниже, чем в предыдущем случае. При разряде этога тглпа наблюдается (как и в предыдущем случае) значительная неравномерность электрафизических и тепловых процессов, способствующих полной очистке поверхности металлического изделия. Тепловой поток, как и в случае 1, направлен от поверхностного слоя плазмы, где температура остается па-прежнему выше, чем на поверхности изделия. Максимум температуры находится в непосредственной близости, возможна длина порядка нескольких столкновений ионов паверхностнаго слоя изделия, например ионов металла,, в то время, как температура поверхностного слоя кристаллической решетки металла или его окислов не превышает, па крайней мере, температуры кипения, поэтому градиент температур очень велик.

Это обстоятельство относится к случаям 2 и 3.

3 1227

4. 11ри высоких частотах скин-эффект проявляется полностью. Плотность тока имеет максимум на периферии и нулевые значения в центральной части. За счет экранировки плазмой индукционный нагрев отсутствует.

Вся электромагнитная энергия поглощается плазмой, прозрачность которой стала нулевой. Наблюдается известный ВЧИ-радряд. Нагрев металлического изделия происходит только за счет кондуктивно-конвективного процесса переноса тепла. Важно отметить, что в этом случае температура поверхности резко снижается, потому что градиент температур по радиусу цилиндрической полости в ра— йоне 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 определяется уже не толщиной зоны ионизации, а толщиной гидродинамического пограничного слоя, имеющего при малых скоростях размеры, сравниваемые с размером тела изделия. Следовательно, удельный тепловой поток резко снижается. Снижается и скорость парообразования, а значит, и скорость очистки. Изделие в этом случае опутано паровой низкотемпературной, относительно температуры плазмы, рубашкой. Поверхность изделия в этом случае будет З5 сплавляться, оплавленная поверхность перегреваться до кипения и достаточно слабо испаряться.

Создание потока газовой атмосферы через полость индуктора, стабили- 40 зация ВЧ-плазменного разряда, образующегося при условии частично прозрачной для поля плазмы и являются теми приемами, которые необходимы для достижения качественной очистки по- 45 верхности.

Принципиальные отличия предлагаемого способа очистки металлических изделий от используемого в настоящее время способа индукционной очист-5в ки, при котором изделие пропускают через сквозную цилиндрическую камеру индуктора и нагревают его токами высокой частоты, заключается в том, что процесс очистки ведется не за 55 счет термомеханического разрушения пленки хрупких окислов, а за счет высокоэнергетических электрофизических процессов, протекающих непосредственно на очищаемой поверхности, при этом происходит не частичная очистка путем механического удаления окалины, а полная очистка поверхности путем испарения любых загрязнений при минимальных затратах энергии, в результате чего поверхность не только очищается, но и активируется, благодаря чему возможно качественное проведение многих последующих технологических процессов, в том числе таких чувствительных к состоянию поверхности, как плакирование и нанесение покрытий.

Пример 1. Металлическое иэделие, например, проволоку 1 (фиг.1) пропускают через сквозную цилиндрическую полость 2 индуктора 3, питаемого от генератора 4 высокой частоты. Под действием индуцированных в проволоке 1 вихревых токов температура ее поверхности увеличивается происходит процесс нагрева проволоки.

Одновременно с нагревом проволоки в полости 2 создают поток газовой атмосферы. При этом в .поверхностном слое газовой атмосферы, прилегающем к нагретой поверхности проволоки, появляются свободные носители заряда.

Количество и природа этих носителей определяется множеством факторов: количеством и составом загрязнений состоянием поверхности, физико-химическими свойствами основного металла и газовой атмосферы и, наконец, такими управляемыми параметрами, как температура поверхности, индукция магнитной составляющей и напряженность электрической составляющей электромагнитного поля, а также его частота.

Тем не менее можно отметить, что на границе раздела газ-твердая поверхность, первоначально находящаяся при температурах выше газовой (4001000 С), появляются следующие носители заряда: электроны (термо- и автоэмиссии) за счет локальных неоднородностей электрической составляющей, ионы двух- и более атомных газов, адсорбированных поверхностью металла, окислами, органическими загрязнениями (О, СО>, И и др.), — радикалы, появляющиеся в результате пиролиза органических загрязнений.

1227280

Высокая частота способствует проявлению неравновесных явленкй, в там числе и дополнительной конизацик, В результате активации границы

5 поверхностного слоя газовой атмосферы и поверхности изделия — проволоки по этой границе начинает протекать электрический так, чта приводит к разогреву этого поверхностного слоя газовой атмосферы. В дальнейшем процесс развивается быстро: превалирующим явлением становится термическая ионизация, температура растет, Проводимость слоя также возрастает и происходит возбуждение ВЧ-плазменного разряда непосредственно на гаверхности.

Для организации упорядаченнагс стационарного ВЧ-плазменного разряда необходимо стабилизировать его: путем, например, создания апределен— нои аэродинамической обстановки в полости индуктора 2. Пространственно-временную стабилизацию ВЧ-плазмен- 2 ного разряда обычно осуществляют аксиальным, тангенциальным, распреде †. ленным или транспирационным вводом газовой атмосферы. Наиболее эффективной, как показал эксперимент, для предлагаемого способа является такая стабилизация, при которой газовую атмосферу подают тангенциально и организуют в полости, где происходит разряд, вихревое движение

35 газа 5. Дальнейшую стабилизацию разряда в процессе очистки поверхности.проволоки осуществляют регулкрсванием расхода газовой атмосферы в генераторе этой атмосферы 6. Прк ус!

1Q .повии выполнения предлагаемых тех-. нологических приемов разряд лака,пкзуется и принимает форму, близкую к показанной на фиг. 1 {позиция 7), Под действием высокой температуры ВЧ-плазменного разряда (10000 С), превышающей температуру кипения любого вещества при давлениях, близких

J к атмосферному, происходит испарение

I слоя загрязнений на поверхности ме= талла. Металл также начинает испаряться, благодаря чему поверхность ега полностью не только ожижается, на и дополнительно активируется, чта особенно важно для последуюшего технологического процесса плакирования к нанесения различных покрытий. Характерно, что согласно предлагаемому способу очистки,, происходит самарегулкрованке процесса испарения.

Увеличение скорости испарения приводит к эмкттираванкю в зону разряда ионов, что не только снижает патенцкал ионизации плазмы, но к одновременно уменьшает температуру разряда. Из-за противоположного действия этих факторов степень канизацки к электраправаднасть разрядной зсны практически не меняется. Поскольку основная даля в проводимости разрядной зоны обусловлена канами мегалла, этот механизм саморегулирования замедляе". испарение чистых мегаллов к ускар;-.:ет испарение неметалпкческкх загp,3=;Ieний, В связи .. г... -3та разогрев ВЧплазмы происходит за счет замкнутых в ней 13кхреиьl таков. неравнамернас I-. удаления загрязнений и глубо:ке изменения в структуре основного мет3лла палпастью устраняются, так как Огсугст13уют локально цействуюпке пркэлектрацные явления.

Продукты Очистки выносятся из зоны очистки к нагрева потоком газовой атмосферы.

Кроме того., образующаяся по этому

-..ïî3Gáó чистая металлическая поверхна<"-:ü .изделия являющаяся к тому же активкрoI3aII:;Iîé, способствует проведению физика-химической обработки

1аверхностк,, которую проводят в зависимости от вида последующего техпалагкческа.га процесса путем выбора соответствующего состава газовой атмосферы. Газавуо атмосферу по этому способу выбирают инертную, восстановительную ., кзбкрательна-Окислительную .пиба хкмкче-. кк активную. Необходимые для паследующ1кх технологических процессов газы 8 падают в генератор 6 газовой атмосферы, П р к м е р 2, Прк последующей за очисткой технологической операцкгп — плах:ГраВЯнии, способ ОС IBecTвляют следующим образом.

Стальную проволоку 1 (фиг. 1) диаметрам 6 мм пропускают через скваз-!

IyIo цилиндрическую камеру из плавленного кварца диаметрам 20 мм, длиной 200 мм, Ипдуктар состоит из 5

I вкткав медной трубки и охватывает кварцевую камеру, Лндуктар подключен к генератору мощностью 10 кВт. Одновременно с нагревом проволоки в камере создают поток аргана с расходом

1227280

10 роликам, накатывающим алюминиевый порошок на активированную поверхность стали. После деформационной обработки плакированного изделия получается готовый продукт — биметаллическая сталеалюминиевая проволока.

Пример 3. Для последующего за очисткой технологического процесса — науглероживание поверхности проволоки, проводят те же операции, что и в примере 1 и 2, только в качестве газовой атмосферы используют оксид углерода — СО. B результате плазмохимических реакций поверхность проволоки насыщается углеродом,твердость ее увеличивается, По мере остывания проволоки ее режут на мерные длины — заготовки.

II р и м е р 4. Для последующего за очисткой технологического процесса — пайки стали с медью, проводят те же операции, что и в примере 1 и 2, только в качестве газовой атмосферы выбирают смесь газов

Ar и ВР . В результате плазмохимических реакций поверхность не только очищается, но и насыщается ионами и атомами F благодаря чему улучшается .качество соединения сталь— медь при условии, что медная поверхность достаточно чиста и не обра25

1 л/мин. Поток газа направляют через камеру тангенциально и стабилизируют вихревым потоком аргона ВЧплазменный разряд . Для указанных диаметров цилиндрической камеры (20 мм) и изделия (6 мм) выбирают частоту из условия частично прозрачного для поля ВЧ-плазменного разряда. Для температуры аргоновой плаз30 мы (7-9) io К толщина скин-слоя на частоте 1 МГц составляет 25 мм, что удовлетворяет условию прозрачности плазмы, поэтому поле .проникает до проволоки, происходит интенсивный индукционный нагрев, плазменный перегрев и очистка поверхности от эагрязнений. Поверхность не только очищается, но и активируется. Газовая атмосфера выбрана в данном случае нейтральной. Далее проволока с нагре той активированной поверхностью поступает в среде аргона, например, к батывается перед пайкой или пайкосваркой. Частоту тока в связи с малым влиянием ВР на проводимость можно оставить той же — 1 МГц.

Пример 5. Для последующего эа очисткой технологического процесса — волочения, проводят те же операции, что и в примерах 1 и 2, только в качестве газовой атмосферы используют промышленные защитные газы, например 5% СО, 10% СО, 15% H

0,3% СН„, остальное N . Очищенную прот волоку подвергают в дальнейшем, например, оксалатированию, нанесению смазочного слоя и волочению.

Предлагаемый способ очистки поверхности металлических изделий обеспечивает по сравнению с известными воз-— можность полной очистки поверхности изделий от окислов, органических веществ, адсорбированных газов, а также активации поверхности для широкого класса технологических процессов: плакирование, напыление, нанесение промежуточных технологических покрытий (меднение, цинкование, лужение, оксалатирование, желтение); возможность совмещения процессов очистки и нагрева, что позволяет подавать изделия непосредственно к агрегатам для выполнения операций прокатки, волочения, обработки в расплавах, а также возможность качественной автоматизации процесса очистки в связи с малой инерционностью процесса и легкостью управления, например, изменением частоты, мощности электромагнитного поля, кроме того, малые производственные площади, удобство размещения необходимого для реализации этого способа оборудования в непрерывных технологических линиях, возможность удаления дисперсных порошкообразных продуктов очистки метизом пневмотранспорта и в принципе использование этих порошков в безотходном технологическом цикле, воэможность проведения физико-химических методов обработки поверхности изделий в процессе очистки, так как повышение качества очистки приводит к интенсификации физико-химических процессов на поверхности изделий .

1227280 (7/ !ц) фмгц (20ПГц)

12

Составитель О. Румянцева

Редактор Н. Слободяник Техред Л.Олейник Корректор Т. Колб

Заказ 2242/8 Тираж 518 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35„ Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r, Ужгород, ул. Проектная, 4