Способ контроля процесса химико-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде и устройство для его осуществления (варианты)

 

Ипользование: в технике измерений параметров ионизированной плазмы, в частности при контроле процесса поверхностной химико-термической обработки сталей и сплавов. Способ контроля процесса химико-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде и устройства для его осуществления основываются на возбуждении ионизированной атмосферы электромагнитным излучением в заданных частотных интервалах с последующей оценкой влияния этого возбуждения на электромагнитное излучение ионизированной атмосферы и/или протекающий в ней катодный ток. Устройство для контроля процесса химико-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде включает импульсный источник электромагнитного излучения, соединенный оптически с одним или несколькими измерительными катодами, каждый из которых соединен электрически с измерительным устройством. Устройство для контроля процесса химическо-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде включает импульсный источник электромагнитного излучения измерительными катодами, каждый из которых соединен оптически с измерительным устройством. 3 с.п. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике измерений параметров ионизированной плазмы и, в частности, может быть использовано при контроле процесса поверхностной химико-термической обработки (цементации, нитроцементации, азотировании и т.п.) сталей и сплавов в тлеющем разряде.

Тлеющий разряд имеет характерные спектры испускания и поглощения электромагнитной энергии, вид которых определяется химическим составом атмосферы, в которой зажигается разряд, а также материалом электродов. Использование свойств тлеющего разряда для целей диагностики поверхностной химико-термической обработки сталей и сплавов основывается на том, что интенсивность спектра эмиссии электромагнитного излучения плазмы, а также зависимость коэффициента поглощения плазмы от длины волны падающего излучения закономерным образом связаны как с первоначальным химическим составом технологической атмосферы, так и со сложными физико-химическими процессами, протекающими на обрабатываемой поверхности и вокруг нее. Эти закономерные связи проявляются в том, что интенсивность излучения плазмы, а также интенсивность поглощения плазмой электромагнитного излучения в определенных участках спектра связаны с концентрациями углерод- и азотсодержащих частиц, а также других частиц, образующихся в ходе ионной химико-термической обработки и зависящих от исходного состава технологической атмосферы и состояния обрабатываемой поверхности. Эти зависимости сложны и недостаточно изучены.

В настоящее время не существует прямых методов определения насыщающей способности ионизированной рабочей атмосферы в ходе цементации, нитроцементации и азотирования сталей и сплавов. Методы прямой диагностики фазовых превращений, происходящих на насыщаемой поверхности в процессе ионной химико-термической обработки, также неизвестны.

Известен способ обнаружения сажи, выделяющейся на обрабатываемой поверхности в ходе ионной цементации. Диагностика сажевыделения основывается на измерении мощности излучения сверхвысокой частоты на электронной плазменной частоте (а. с. СССР N 1329182, кл. C 23 C 8/36, 1985). Появление в рабочей атмосфере коллоидных и мелкодисперсных частиц сажи проявляется в резком увеличении мощности излучения сверхвысокой частоты. Недостатком метода является то, что он лишь косвенно и с некоторой задержкой подтверждает сажевыделение на поверхности металла, обнаружение которого представляет непосредственный технический интерес. Кроме того, с помощью этого метода нельзя определить насыщенную способность ионизированной атмосферы, а также момента образования избыточной фазы на поверхности металла.

Известны способ контроля ионной цементации сталей и сплавов, а также устройство для его осуществления, являющиеся наиболее близкими к заявляемому изобретению. Этот метод (Edenhofer B. Opportunities and limitations of ion carburizing //Heat Treatment of Metals, 1991, v. 18, N 1) заключается в измерении параметров плазмы с последующей оценкой ее насыщающей способности. Устройство для реализации метода выполнено как датчик измерения плотности электрического тока, соединенного последовательно с входным преобразователем, преобразователем электрического сигнала и функциональным генератором.

Известный способ и осуществляющее его устройство имеют серьезные недостатки, которые проявляются в относительно высоком уровне ошибок при определении потока углеродсодержащих частиц на обрабатываемую поверхность. Эти ошибки обусловлены двумя причинами. Во-первых, в условиях тлеющего разряда уровень ионизации атмосферы весьма мал (менее 1%) и основной вклад в насыщение металла углеродом вносят электрически нейтральные частицы. Во-вторых, измеряемый катодный ток состоит не только из углеродсодержащих частиц, но и из других частиц, подвергшихся ионизации в тлеющем разряде. В силу последней причины этот метод не может быть применен к управлению нитроцементацией, поскольку он не позволяет разделить вклады от углерод- и азотсодержащих частиц. Метод не позволяет также определить момент появления избыточной фазы и сажевыделения на поверхности металла.

Оба аналога относятся к пассивным системам наблюдения характеристик ионизированной рабочей атмосферы, поскольку используемые в них характеристики (электромагнитное излучение, катодный ток) являются естественными проявлениями процесса ионной цементации в их чистом виде, без какого-либо дополнительного воздействия на них. При этом величина полезного сигнала зависит только от числа детектируемых активных частиц, и в случаях, когда их концентрации малы, измерение сигнала может сопровождаться значительными погрешностями, обусловленными характерными для процесса измерения шумами. Неточности в выборе характерного сигнала (СВЧ-излучение от коллоидных и мелкодисперсных частиц, плотность полного катодного тока) вносят дополнительные погрешности в определение искомых величин (момента сажевыделения на обрабатываемой поверхности, науглероживающей способности рабочей атмосферы).

Предлагаемые способ контроля процесса химико-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде и устройства для его осуществления основываются на возбуждении ионизированной атмосферы электромагнитным излучением в заданных частотных интервалах с последующей оценкой влияния этого возбуждения на флуоресценцию частиц ионизированной атмосферы и протекающий в ней катодный ток.

Насыщение в тлеющем разряде протекает в сильно активизированной среде в отсутствие термодинамического равновесия. Реакции превращения, протекающие в технологической атмосфере, оказываются сдвинутыми в сторону диссоциации компонент атмосферы. Поэтому насыщение сталей и сплавов в процессе ионной химико-термической обработки может протекать вплоть до образования твердой корки избыточной фазы и при цементации (нитроцементации) завершается выделением сажи на обрабатываемой поверхности. В этих условиях наблюдение за образованием избыточной фазы, а также выделением сажи на обрабатываемой поверхности является весьма актуальной задачей. Появление и рост легированных карбидов (карбонитродов) в низколегированных сталях проявляются в образовании карбидной сетки, снижении прокаливаемости и усталостной прочности сталей.

Предлагаемый способ позволяет проводить одновременное исследование различных параметров процесса, которые определяются составом технологической атмосферы и закономерным образом влияют на химико-термическую обработку сталей и сплавов в тлеющем разряде.

Использование предлагаемого способа контроля и устройств для его осуществления обеспечивает более высокую точность оценки характеристик ионизированной атмосферы и, в конечном счете, науглероживающей, азотирующей способности атмосферы при цементации, азотировании и нитроцементации сталей и сплавов по сравнению со всеми известными методами, а также обеспечивает более высокую надежность в определении момента начала образования избыточной карбидной (карбонитридной) фазы, а также момента начала сажевыделения на обрабатываемой поверхности в процессе цементации или нитроцементации.

Применение изобретения обеспечивает возможность снижения разброса значений концентрации углерода и азота по глубине диффузного слоя не хуже чем ±0,05% для углерода и не хуже чем ±0,05% для азота, и повысить качество обработки сталей и сплавов вследствие использования технологических циклов, исключающих недостаточное насыщение деталей, а в случае низколегированных сталей технологических циклов, не допускающих образования избыточной фазы при цементации деталей. Кроме того, применение изобретения упрощает разработку технологических циклов и обеспечивает возможность плавно переходить к обработке садок разной массы и площади обрабатываемой поверхности, а также переносить разработанные технологические циклы на установки ионной цементации с другими рабочими характеристиками.

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что в предлагаемом способе контроля процесса химико-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде, заключающемся в оценке характеристик ионизированной атмосферы, которую проводят при воздействии на нее возбуждающим электромагнитным излучением с частотой, соответствующей заданным частотным интервалам поглощения ее активных составляющих и полного числа частиц, путем сравнения электромагнитного излучения в частотных интервалах, соответствующих активным составляющим ионизированной атмосферы и электромагнитного излучения, соответствующего полному числу ее частиц, в качестве характеристик ионизированной атмосферы используют интенсивность излучения ее активных составляющих и/или величину катодного тока, протекающего через измерительный катод, удаленный от рабочего катода на расстояние не менее суммарной ширины зон отрицательного свечения тлеющего разряда, окружающих оба катода.

При использовании в качестве характеристик ионизированной атмосферы катодного тока их оценку осуществляют путем возбуждения ионизированной атмосферы электромагнитным излучением в заданных частотных интервалах, соответствующих частотным интервалам поглощения ее активных составляющих и изменяющих степень ионизации этих активных составляющих, измерения катодного тока, отделения фиксированной части возбуждающего излучения для оценки его мощности путем преобразования этой части излучения в опорный электрический сигнал. При этом оценку параметров процесса осуществляют по количеству активных составляющих ионизированной атмосферы, которую получают сравнением сигналов катодного тока с опорным электрическим сигналом, характеризующим мощность возбуждающего излучения, при этом для упрощения процесса оценки параметров ионизированной атмосферы сравнение полученных сигналов катодного тока с опорным сигналом осуществляют делением каждого из них на опорный.

При контроле процесса химико-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде необходимо рассматривать несколько параметров, характеризующих состояние ионизированной атмосферы. В частности, для установления науглероживающей способности атмосферы используется концентрация углеродсодержащих частиц в ионизированной рабочей атмосфере.

Другим параметром технологической атмосферы является ее азотирующая способность, которая определяется концентрацией азотсодержащих частиц в ионизированной рабочей атмосфере.

Для контроля за выделением карбидной (карбонитридной) фазы при диагностике химико-термической обработки в качестве активных составляющих ионизированной атмосферы используют частицы насыщаемого металла и по достижению их количеством заданного порогового значения определяют момент образования избыточной карбидной (карбонитридной) фазы на обрабатываемой поверхности.

Для контроля сажевыделения на поверхности сталей и сплавов при контроле процесса в качестве активных составляющих ионизированной атмосферы используют частицы сажистого углерода и по достижению их количеством заданного порогового значения определяют момент начала сажевыделения на обрабатываемой поверхности.

При этом в зависимости от химического состава ионизированной атмосферы в процессе химико-термической обработки сталей и сплавов граничные значения заданных частотных интервалов электромагнитного излучения, возбуждающего ионизированную атмосферу и характеризующего состояние ионизированной атмосферы, устанавливают в виде постоянных или изменяющихся в процессе контроля значений частот.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства для контроля процесса химико-термической обработки сталей и сплавов, использующего измерение катодного тока; на фиг. 2 функциональная схема устройства для контроля процесса химико-термической обработки сталей и сплавов, использующего измерение интенсивности излучения ионизированной атмосферы.

Первое устройство содержит рабочую камеру 1 с размещенными в ней обрабатываемым металлом 2, рабочим катодом 3 и К измерительных катодов 4, К резисторов 5, источник постоянного напряжения 6, генератор 7 монотонно меняющегося напряжения, К импульсных источников 8 электромагнитного излучения, К делителей 9 электромагнитного излучения, К формирователей 10 пучков, К приемников 11 электромагнитного излучения и К измерительных блоков 12, каждый из которых состоит из фильтра 13 верхних частот, N двухпороговых блоков 14, N ключей 15, N+1 стробируемых накопителей 16 и N элементов сравнения 17.

Импульсные источники 8 могут быть выполнены, например, в виде лазеров фиксированной или непрерывно перестраиваемой длины волны с импульсными и/или непрерывным режимом излучения. В случае импульсного режима излучения лазера управляющие работой устройств стробирующие импульсы могут сниматься с его подсистемы накачки с помощью оптоэлектрического преобразователя. В случае непрерывного режима излучения лазер оснащается внешним блоком амплитудной модуляции излучения, выполненным, например, в виде вращающегося диска с отверстиями. При этом управляющие работой устройств стробирующие импульсы могут сниматься с блока амплитудной модуляции с помощью оптоэлектрического преобразователя.

Устройство работает следующим образом.

Электромагнитное излучение от импульсных источников 8 через делители 9 и формирователи 10, которые пространственно разрешают излучение от импульсных источников 8 разных длин волн, попадает сквозь прозрачную стенку в рабочую камеру 1, вызывая изменение катодного тока тлеющего разряда и, как следствие, электрического тока, протекающего через измерительные катоды 4 и падения напряжения на резисторах 5. Сигнал с резисторов 5 поступает на сигнальные входы измерительных блоков 12. В каждом измерительном блоке 12 сигнал поступает на вход фильтра 13, где происходит выделение переменной составляющей сигнала, несущей информацию об изменении катодного тока тлеющего разряда, в зависимости от частоты излучения импульсного источника 8, перестраиваемого по частоте с помощью генератора 7. Сигнал с выхода генератора 7 монотонно меняющегося напряжения поступает на входы N двухпороговых блоков 14, выдающих на выходах сигналы типа "0" или "1" при заранее заданном для каждого из них диапазоне значения сигнала от генератора 7. При этом единичный сигнал появляется при уровне сигнала, находящегося между пороговыми значениями, и открывает соответствующий ключ 15, пропуская в последующую цепь обработки сигналы с выхода фильтра 13 в заданных диапазонах частот.

Сигнал с выхода фильтра 13 через N ключей 15 проходит входы N стробируемых накопителей 16, где накапливается в течение времени действия стробирующих импульсов с выхода импульсного источника 8, синхронных импульсам электромагнитного излучателя соответствующего пучка. Часть излучения, ответвленная соответствующим делителем 9, поступает на вход приемника 11, где преобразуется в электрический сигнал, накапливающийся в N+1-м стробируемом накопителе 16 в течение времени действия тех же стробирующих импульсов, и далее -на опорные входы N элементов сравнения 17. Сигналы с первых N стробируемых накопителей 16 поступают на сигнальные входы N элементов сравнения, где сравниваются с опорным сигналом, например, путем деления на него. В результате на выходах элементов сравнения появляются сигналы, несущие информацию об изменениях катодного тока тлеющего разряда на частотах, соответствующих интервалам поглощения активных составляющих ионизированной атмосферы и характеризующих концентрации соответствующих активных компонент ионизированной рабочей атмосферы.

Второе устройство содержит рабочую камеру 18 с размещенными в ней обрабатываемым металлом 19, рабочим катодом 20 и K измерительными катодами 21, источник постоянного напряжения 22, K импульсных источников 23 электромагнитного излучения, K формирователей 24 пучков, K · M формирователей 25 стробирующих импульсов и K измерительных блоков 26, каждый из которых состоит из M-канального оптического полосового фильтра 27, M-канального приемника 28 электромагнитного излучения, M-канального фильтра 29 верхних частот, M-стробируемых накопителей 30 и M-1 элементов сравнения 31.

Импульсные источники 23 могут быть выполнены, например, в виде лазеров фиксированной или непрерывно перестраиваемой длины волны с импульсным или непрерывным режимом излучения. В случае импульсного режима излучения лазера управляющие работой устройств стробирующие импульсы могут сниматься с его подсистемы накачки с помощью оптоэлектрического преобразователя. В случае непрерывного режима излучения лазер оснащается внешним блоком амплитудной модуляции излучения, выполненным, например, в виде вращающегося диска с отверстиями. При этом управляющие работой устройств стробирующие импульсы могут сниматься с блока амплитудной модуляции с помощью оптоэлектрического преобразователя.

Устройство работает следующим образом.

Электромагнитное излучение от импульсных источников 23 через формирователи 24 попадает сквозь прозрачную стенку в рабочую камеру 18, вызывая флуоресценцию частиц ионизированной атмосферы. Оптический сигнал сквозь прозрачную стенку рабочей камеры 18 поступает на сигнальные входы измерительных блоков 26. В каждом измерительном блоке 26 оптический сигнал поступает на входы оптического полосового фильтра 27, где происходит выделение составляющих сигналов, соответствующих данным активным компонентам ионизированной атмосферы, или составляющей сигнала, несущей информацию о полном числе частиц ионизированной атмосферы. Оптические сигналы с выходов фильтра 27 поступают на входы M-канального приемника 28 электромагнитного излучения, преобразующего их в соответствующие электрические сигналы. Далее в каждой цепи обработки сигнал поступает на вход M-канального фильтра 29, где происходит выделение переменной составляющей сигнала, несущей информацию об изменении электромагнитного излучения ионизированной атмосферы в зависимости от частоты излучения импульсного источника 23.

Сигналы с выходов M-канального фильтра 29 проходят на входы M стробируемых накопителей 30, где накапливаются в течение времени действия стробирующих импульсов, поступающих с выходов M формирователей 25 стробирующих импульсов, соединенных с выходом соответствующего импульсного источника 23 и синхронизированных соответствующим образом с импульсами воспринимаемого и обрабатываемого в данной цепи электромагнитного излучения. Электрический сигнал, накапливающийся в M-ом стробируемом накопителе 30 в течение времени действия тех же стробирующих импульсов и характеризующий полное число частиц ионизированной атмосферы, поступает далее на опорные входы M-1 элементов сравнения 31. Сигналы с первых M-1 стробируемых накопителей 30 поступают на сигнальные входы M-1 элементов сравнения, где сравниваются с опорным сигналом, например, путем деления на него. В результате на выходах элементов сравнения появляются сигналы, несущие информацию об изменении электромагнитного излучения ионизированной атмосферы в частотных интервалах, соответствующих флуоресценции активных составляющих ионизированной атмосферы и характеризующих концентрации соответствующих активных компонент ионизированной рабочей атмосферы.

Выходные сигналы с измерительных блоков отображают азотирующую и науглероживающую способность рабочей атмосферы, а также используются для определения моментов образования избыточной фазы (карбидов, карбонитридов) и сажевыделения на поверхности металла при цементации или нитроцементации. Определение моментов образования избыточной фазы или сажевыделения на поверхности металла осуществляется с помощью пороговых элементов сравнения, не отображенных на фиг. 1 и 2, фиксирующих момент наступления соответствующего события. Сигналы с момента начала образования избыточной фазы и сажевыделения, имеющие значения 0 или 1, генерируются при достижении концентрациями частиц насыщаемого металла и сажистого углерода заданных значений (сигнал 1). Все вышеназванные сигналы могут быть использованы для отображения соответствующих величин на индикаторе или в качестве сигналов о состоянии процесса в управляющем блоке автоматизированной системы управления процессом химико-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде.

Формула изобретения

1. Способ контроля процесса химико-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде, заключающийся в оценке характеристик ионизированной атмосферы, отличающийся тем, что оценку характеристик ионизированной атмосферы проводят при воздействии на нее возбуждающим электромагнитным излучением с частотой, соответствующей заданным частотным интервалам поглощения ее активных составляющих и полного числа частиц, путем сравнения электромагнитного излучения в частотных интервалах, соответствующих активным составляющим ионизированной атмосферы, и электромагнитного излучения, соответствующего полному числу ее частиц, а в качестве характеристик ионизированной атмосферы используют интенсивность излучения ее активных составляющих и/или величину катодного тока, протекающего через измерительный катод, удаленный от рабочего катода на расстояние не менее суммарной ширины зон отрицательного свечения тлеющего разряда, окружающих оба катода.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сравнение производят путем деления значений соответствующих характеристик.

3. Устройство для контроля процесса химико-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде, содержащее рабочую камеру с размещенными в ней обрабатываемым металлом, рабочим катодом и первым измерительным катодом, удаленным от рабочего катода на расстояние не менее суммарной ширины зон отрицательного свечения, окружающих оба катода, первый измерительный катод соединен с сигнальным входом первого измерительного блока, выходы которого являются выходами устройства, и через первый резистор с источником постоянного напряжения, отличающееся тем, что оно снабжено К измерительными блоками, К-1 измерительными катодами, К-1 резисторами, генератором монотонно меняющегося напряжения, К импульсными источниками электромагнитного излучения, К делителями электромагнитного излучения, К приемниками электромагнитного излучения, причем каждый измерительный блок состоит из фильтра верхних частот, вход которого является сигнальным входом измерительного блока, а выход соединен с сигнальными входами N ключей, выходы которых через соответствующие N стробируемых накопителей соединены с сигнальными входами соответствующих N элементов сравнения, выходы которых являются выходами измерительного блока, и (N+1)-й стробируемый накопитель, сигнальный вход которого является опорным входом измерительного блока, а выход соединен с опорными входами элементов сравнения, объединенные стробирующие входы стробируемых накопителей являются стробирующим входом измерительного блока, N двухпороговых блоков, объединенные входы которых являются управляющим входом измерительного блока, а выходы соединены с управляющими входами N ключей, К-1 дополнительных измерительных катодов удалены от рабочего катода и относительно друг друга на расстояние не менее суммарной ширины зон обращенного свечения, окружающих катоды, К-1 дополнительных катодов соединены с сигнальными входами соответствующих измерительных блоков и через соответствующие резисторы с источником постоянного напряжения, выходы приемников электромагнитного излучения соединены с анодными входами соответствующих измерительных блоков, выход генератора соединен с управляющими входами измерительных блоков, импульсные источники электромагнитного излучения оптически соединены через соответствующие делители электромагнитного излучения с приемниками электромагнитного излучения и внутренним пространством рабочей камеры, выполненной с возможностью прохождения через ее стенку электромагнитного излучения вдоль поверхностей соответствующих измерительных катодов, выходы источников электромагнитного излучения соединены со стробирующими входами соответствующих измерительных блоков, где К, N числа из натурального ряда чисел.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что между каждым делителем электромагнитного излучения и рабочей камерой установлен формирователь пучка.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что элементы сравнения выполнены в виде делителей напряжения.

6. Устройство для контроля процесса химико-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде, включающее рабочую камеру с размещенными в ней обрабатываемым металлом, рабочим катодом и первым измерительным катодом, удаленным от рабочего катода на расстояние не менее суммарной ширины зон отрицательного свечения, окружающих оба катода, соединенным с источником постоянного напряжения, и измерительный блок, выходы которого являются выходами устройства, отличающееся тем, что оно снабжено К-1 измерительными катодами, К импульсными источниками электромагнитного излучения, К группами формирователей стробирующих импульсов с М формирователями в каждой группе, К измерительными блоками, каждый из которых содержит М-канальный собирающий оптический элемент, вход которого оптически соединен с внутренним пространством рабочей камеры и является сигнальным входом измерительного блока, а выход оптически соединен через М-канальный оптический полосовой фильтр с М-канальным приемником электромагнитного излучения, М выходов которого через М-канальный фильтр верхних частот соединены с сигнальными входами соответствующих М стробируемых накопителей, стробирующие входы которых являются стробирующими входами измерительного блока, выходы первых М-1 стробируемых накопителей соединены с сигнальными входами соответствующих М-1 элементов сравнения, выход М-го стробируемого накопителя соединен с опорными входами элементов сравнения, К-1 дополнительных измерительных катодов удалены от рабочего катода и относительно друг друга на расстояние не менее суммарной ширины зон отрицательного свечения, окружающих катоды, и соединены с источником постоянного напряжения, импульсные источники электромагнитного излучения оптически соединены с внутренним пространством рабочей камеры, выполненной с возможностью прохождения через ее стенку электромагнитного излучения вдоль поверхности измерительных катодов, где К, М числа из натурального ряда чисел.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что между импульсными источниками электромагнитного излучения и рабочей камерой установлено К формирователей пучков.

8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что элементы сравнения выполнены в виде делителей напряжения.

9. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что стенки рабочей камеры выполнены с возможностью прохождения через них электромагнитного излучения.

10. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что М-канальные оптические элементы установлены по отношению к направлениям распространения пучков электромагнитного излучения под углами, близкими к 90^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2