Способ диагностики процесса химико-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к химико-термической обработке в тлеющем разряде, и может быть использовано в машиностроении. Сущность способа: при контроле характеристик ионизированной атмосферы и последующей оценке параметров процесса в качестве характеристик ионизированной атмосферы используют ее электромагнитное излучение, а контроль параметров процесса осуществляют путем выделения электромагнитного излучения, соответствующего активным составляющим и общему числу частиц ионизированной атмосферы в заданных частотных интервалах. Оценку параметров процесса осуществляют по количеству активных составляющих ионизированной атмосферы, которое получают сравнением полученных в результате преобразования электрических сигналов с одним из них, выбранным в качестве опорного и соответствующим интенсивности излучения от общего числа частиц ионизированной атмосферы. Сущность устройства: первичный преобразователь, подключенный посредством преобразователя электрического сигнала к блоку функционального преобразователя, выполнен в виде блока выделения электромагнитного излучения. Блок выделения электромагнитного излучения от активных составляющих и общего числа частиц ионизированной атмосферы выполнен в виде фильтрующих элементов, установленных с возможностью последовательного позиционирования в зоне воспринимаемого электромагнитного излучения перед приемником электромагнитного излучения. Блок выделения электромагнитного излучения выполнен в виде поворотного диска с радиально размещенными в нем фильтрующими элементами и снабжен приводом вращения и блоком позиционирования фильтрующих элементов. 2 с. и 10 з. п. ф-лы, 6 ил. 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к химико-термической обработке (ХТО) в тлеющем разряде, и может быть использовано в машиностроении для повышения качества поверхностного упрочнения при цементации, нитроцементации и азотирования сталей и сплавов в тлеющем разряде.

Тлеющий разряд обладает характерным спектром электромагнитного излучения, причем спектральноье распределение интенсивности этого излучения является функцией химического состава атмосферы, в которой зажигают разряд. При использовании тлеющего разряда для химико-термической обработки стали и сплавов интенсивность излучения в определенных частотных интервалах однозначно связана не только с исходным химическим составов технологической атмосферы но и со сложными физико-химическими процессами насыщения, происходящими вблизи и на обрабатываемой поверхности. Закономерные связи состоят в том, что концентрации образующихся в ходе ионной ХТО углерод-, азотсодержащих и иных частиц, зависящие от исходного состава атмосферы, площади и состояния насыщаемой поверхности, определяют интенсивность электромагнитного излучения в соответствующих частотных интервалах. Эти закономерные связи сложны и недостаточно изучены.

В настоящее время не существует прямых способов определения насыщающей способности ионизированной (термодинамически неравновесной) атмосферы при цементации, нитроцементации и азотировании. Неизвестны прямые способы диагностики фазовых превращений на насыщаемой поверхности в ходе ионной ХТО.

Известен способ контроля сажевыделения при ионной цементации, основанный на измерении мощности сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения на электронной плазменной частоте, что дает возможность осуществлять диагностику технологической атмосферы при ионной цементации. Появление коллоидных и мелкодисперсных частиц сажи в газовой фазе вызывает резкое увеличение мощности СВЧ-излучения. Контроль СВЧ-мощности не требует контакта датчика с обрабатываемой деталью, что упрощает конструкцию ввода измерителя в реакционную камеру. Однако для реализации способа необходимо сложное высокочастотное оборудование; кроме того, такой контроль малоэффективен, так как не позволяет определить сажевыделение на обрабатываемой поверхности, которое заведомо опережает образование сажи в технологической атмосфере [1] Данный способ не позволяет определять насыщающую способность ионизированной атмосферы, характеризуемую содержанием активных составляющих данной атмосферы и момента образования избыточной фазы на поверхности обрабатываемых деталей.

Известно устройство, позволяющее установить удельный расход насыщающего газа в установках ионной цементации.

Полученные с помощью данного устройства результаты обладают существенными погрешностями, поскольку содержат сведения об общем количестве углерода, поглощенного поверхностью датчика устройства за все время науглероживания. В условиях одновременного насыщения металла азотом и углеродом этот метод не дает возможности контроля насыщающей способности каждого из этих элементов в отдельности. Устройство не дает возможности контролировать фазовые превращения на поверхности обрабатываемых деталей.

Наиболее близким к заявленным изобретениям являются соответственно способ диагностики процесса химико-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде и устройство для его осуществления. [2] Способ заключается в контроле параметров, характеризующих состояние ионизированной атмосферы с последующей оценкой ее насыщающей способности. Устройство для осуществления этого способа выполнено в виде датчика тока, содержащего последовательно связанные первичный преобразователь, подключенный посредством преобразователя электрического сигнала к блоку функционального преобразователя.

Известный способ и устройство для его реализации имеют существенные недостатки, заключающиеся в существенных погрешностях, связанных с определением суммарного количества ионизированных частиц без выделения активных углеродсодержащих, тем более азотсодержащих составляющих ионизированной атмосферы при ХТО. Известный способ не определяет и момент образования избыточной карбидной (карбонитридной) фазы и сажевыделения. При малой степени ионизации известный способ не обладает высокой точностью, поскольку в этом случае ведущую роль на результаты измерения оказывает излучение воздуженных чаcтиц нейтрального газа. Существенное влияние на результаты насыщения оказывает площадь садки обрабатываемых деталей.

Заявленные в качестве изобретения способ диагностики процесса химико-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде и устройство для его осуществления основаны на использовании спектральной диагностики. Насыщение в тлеющем разряде протекает в сильно активированной среде при отсутствии термодинамического равновесия. Реакции превращения компонентов газовой атмосферы в тлеющем разряде сдвинуты в сторону диссоциации. По этой причине процесс насыщения при ионной химико-термической обработке может идти до образования сплошных слоев избыточных фаз и при ионной цементации (нитроцементации) заканчивается выделением сажи. В этих условиях актуален контроль выделения избыточной карбидной (карбонитридной) фазы и сажевыделения. Образование легированных карбидов (карбонитридной) фазы и сажевыделения. Образование легированных карбидов (карбонитридов) в низколегированных сталях приводит к формированию карбидной сетки, снижению прокаливаемости и усталостной прочности.

Спектральная диагностика ионизированной атмосферы позволяет одновременно исследовать различные ее параметры, определяемые содержанием компонентов, входящих в нее и определяющих процесс химико-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде.

Использование заявляемых способа и устройства обеспечит более высокую точность определения насыщающей способности неуглероживающей и азотирующей способности ионизированной атмосферы при цементации, нитроцементации и азотировании и более высокую достоверность определения момента образования избыточной карбидной (карбонитридной) фазы, а также момента сажевыделения в процессе цементации и нитроцементации. Использование изобретения даст возможность уменьшить разброс концентрации углерода и азота по глубине диффузионного слоя до ± 0,05% С и ± 0,05% N и повысить качество ХТО вследствие обработки без недосыщения поверхности, а при использовании низколегированных сталей вследствие науглероживания без избыточной фазы. Использование изобретения упростит отработку технологических режимов ХТО и обеспечит возможность использования разработанных технологических режимов на различных типах установок и для садок различной площади обрабатываемой поверхности.

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что в способе диагностики процесса химико-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде, заключающемся в контроле характеристик ионизированной атмосферы и последующей оценке параметров процесса. В качестве характеристик ионизированной атмосферы используют ее электромагнитное излучение, а их контроль осуществляют путем выделения электромагнитного излучения, соответствующего активным составляющим и общему числу частиц ионизированной атмосферы в заданных частотных интервалах, и преобразования интенсивности выделенного электромагнитного излучения в заданных частотных интервалах в соответствующие электрические сигналы. Оценку параметров процесса осуществляют по количеству активных составляющих ионизированной атмосферы, которое получают сравнением полученных в результате преобразования электрических сигналов с одним из них, выбранных в качестве опорного и соответствующим интенсивности излучения от общего числа частиц ионизированной атмосферы. Для упрощения процесса оценки параметров ионизированной атмосферы сравнение полученных в результате преобразования электрических сигналов с опорным сигналом осуществляют путем деления каждого их них на опорный. При диагностике процесса химико-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде параметры, характеризующие состояние ионизированной атмосферы, могут быть различными. В частности, при оценке науглероживающей способности ионизированной атмосферы в качестве характеристик состояния ионизированной атмосферы используют выделенное электромагнитное излучение углеродсодержащих частиц, по количеству которых производят ее оценку. Одним из таких параметров служит азотирующая способность ионизированной атмосферы, которая определяется по количеству активных азотсодержащих частиц ионизированной атмосферы.

Для контроля процесса выделения карбидной (карбонитридной) фазы при диагностике процесса химико-термической обработки при выделении электромагнитного излучения 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 поверхности сталей и сплавов. Для контроля сажевыделения на поверхности сталей и сплавов при диагностике процесса в качестве активных составляющих ионизированной атмосферы используют частицы сажистого углерода и по достижению их количеством заданного порогового значения определяют момент сажевыделения на обрабатываемой поверхности сталей и сплавов.

В зависимости от химического состава ионизированной атмосферы в процессе химико-термической обработки сталей и сплавов граничные значения заданных частотных интервалов электромагнитного излучения, характеризующего состояние ионизированной атмосферы, устанавливают в виде постоянных или изменяющихся в процессе диагностики значений частот. Устанавливаемые граничные значения частотных интервалов определяют в процессе диагностики.

Достижение ожидаемого от использования устройства для диагностики химико-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде технического результата обеспечивается тем, что оно содержит первичный преобразователь, подключенный посредством преобразователя электрического сигнала к блоку функционального преобразователя. Первичный преобразователь выполнен в виде блока выделения электромагнитного излучения от активных составляющих и от общего числа частиц ионизированной атмосферы и приемника электромагнитного излучения. Блок выделения электромагнитного излучения от активных составляющих и общего числа частиц ионизированной атмосферы выполнен в виде фильтрующих элементов, установленных с возможностью последовательного позиционирования в зоне воспринимаемого электромагнитного излучения перед приемником электромагнитного излучения.

Практическая реализация блока функционального преобразователя может быть различной в разных модификациях устройства. В одной из таких модификаций устройства, предназначенного для контроля одного из параметров процесса, блок функционального преобразователя выполнен в виде последовательно связанных логарифмического усилителя, блока выделения переменной составляющей, демодулятора- преобразователя и индикатора, а также блока аварийной сигнализации. Входы блока аварийной сигнализации и логарифмического усилителя, служащие для подключения к выходу формирователя электрического сигнала, соединены между собой. Блок выделения электромагнитного излучения от активных составляющих и от общего числа частиц ионизированной атмосферы выполнен в виде диска с радиально размещенными в нем фильтрующими элементами, привода вращения диска и блока позиционирования фильтрующих элементов. Блок позиционирования фильтрующих элементов выполнен в виде последовательно связанных датчика положения фильтрующих элементов, синхронизатора и программного блока, выход которого подключен к приводу вращения диска. В другой модификации устройства для обеспечения одновременного контроля различных характеристик ионизированной атмосферы оно снабжено блоком позиционирования фильтрующих элементов и программным блоком. Блок функционального преобразователя выполнен в виде последовательно связанных блока запоми- нания, блока деления и индикатора, а также формирователя импульсов синхронизации и блока аварийной сигнализации. Входы блока аварийной сигнализации и формирователя импульсов синхронизации, а также информационный вход блока запоминания и вход делимого блока деления подключены к выходу преобразователя электрического сигнала. Управляющий вход блока запоминания подключен к выходу блока позиционирования, подключенного посредством программного блока к блоку выделения электромагнитного излучения от активных составляющих и от общего числа частиц ионизированной атмосферы. Входы индикатора соединены соответственно с управляющим входом блока запоминания и с выходом формирователя импульсов синхронизации.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства для диагностики химико-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде, реализующего соответствующий способ; на фиг.2,3,4 устройство с возможными модификациями блока выделения электромагнитного излучения, блока позиционирования фильтрующих элементов с программным блоком и модификациями блока функционального преобразо- вателя; на фиг.5 циклограмма прохождения сигналов; на фиг.6 результаты насыщения деталей из комплекснолегированной стали при проведении ионной нитроцементации с контролем науглероживающей и азотирующей способности атмосферы с использованием предлагаемого способа и универсального варианта устройства для его осуществления.

Практическая реализация устройства по заявляемому способу может быть различной в зависимости от выполняемой им функции.

Устройство содержит первичный преобразователь 1, подключенный посредством преобразователя электрического сигнала 2 к блоку функционального преобразователя 3.

В модификации устройства, предназначенной для определения одного из параметров: науглероживающей или азотирующей способности ионизированной атмосферы при цементации, нитроцементации или азотирования, или момента образования избыточной фазы (карбидов, карбонитридов или сажистого углерода) при цементации или нитроцементации, первичный преобразователь выполнен в виде блока выделения электромагнитного излучения, состоящего из вращающегося диска 4 с двумя фильтрующими элементами 5, один из которых соответствует эталонному частотному диапазону, и приемника электромагнитного излучения 6. Блок функционального преобразователя 3 в этом случае содержит последовательно соединенные логарифмический усилитель 11, блок выделения переменной составляющей 12, демодулятор-преобразователь 13 и индикатор 14. Вход логарифмического усилителя 11 выполнен с возможностью подключения к выходу преобразователя электрического сигнала 2. Для сигнализации о выходе значения электрического сигнал за допустимые пределы, определяемые чувствительностью приемника электромагнитного излучения, блок функционального преобразователя 3 снабжен блоком 15 аварийной сигнализации, вход которого выполнен с возможностью подключения к выходу преобразователя электрического сигнала 2 и соединен с входом логарифмического усилителя 11.

Универсальный вариант выполнения устройства предназначен для определения в любой комбинации науглероживающей и азотирующей способности ионизированной атмосферы при цементации, нитроцементации, азотировании и момента образования избыточной фазы (карбиды, карбонитриды), а также сажевыделения при цементации и нитроцементации. В этом случае первичный преобразователь содержит вращающийся диск 4 с радиально размещенными в нем несколькими фильтрующими элементами 5 (по числу выполняемых функций), один из которых соответствует эталонному частотному диапазону, и приемник электромагнитного излучения 6.

Для повышения точности позиционирования фильтрующих элементов в зоне воспринимаемого электромагнитного излучения перед приемником электромагнитного излучения блок выделения электромагнитного излучения содержит привод вращения диска 7, блок позиционирования фильтрующих элементов, выполненный в виде последовательно связанных датчика положения фильтрующих элементов 8, синхронизатора 9 и программного блока 10, выход которого подключен к приводу вращения диска 7. Блок функционального преобразователя 3 содержит блок 16 запоминания, на информационный вход которого поступает сигнал с выхода преобразователя 2 электрического сигнала, а на управляющий вход сигнал с выхода синхронизатора 9. Вход делителя блока деления 17 подключен к выходу преобразователя электрического сигнала 2. Выходной сигнал блока деления 17 поступает в индикатор 14, туда же для синхронизации работы индикатора подается выходной сигнал сигнализатора 9. Для дополнительной синхронизации индикатора 14 устройство снабжено формирователем 18 импульсов синхронизации, вход которого подключен к выходу преобразователя электрического сигнала 2. Назначение блока аварийной сигнализации 15 то же, что и в первом варианте устройства (фиг.4).

Устройство реализации способа диагностики процесса химико-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде работает следующим образом.

Первичный преобразователя 1 размещают на смотровом окне реакционной камеры установки для ионной ХТО и направляют в сторону насыщаемых деталей. Тлеющий разряд, окружающий поверхность обрабатываемых деталей, формирует электромагнитное излучение, попадающее на вращающийся диск 4 с радиально закрепленными в нем фильтрующими элементами 5. Излучение в частотных интервалах, выделенных фильтрующими элементами 5 поступает на приемник электромагнитного излучения 6. Один из фильтрующих элементов 5 выделяет эталонный частотный диапазон, а второй аналитический диапазон, необходимый для реализации одной из выполняемых устройством функции науглероживающей или азотирующей способности атмосферы или момента образования избыточной фазы. Программный блок 10 обеспечивает движение привода вращения 7 таким образом, что вращающийся диск 4 с фильтрующими элементами 5 останавливается на некоторый промежуток времени τ_o, когда напротив приемника электромагнитного излучения 6 находится один из фильтрующих элементов 5 (фиг. 5). Скороcть вращения выбрана таким образом, чтобы время движения τ_д вpащающегося диска 4 было много меньше τ_o. Для повышения точности позиционирования вращающегося диска 4 программный блок 10 дополнительно синхронизирован импульсами, формируемыми синхронизатором 9 по сигналу датчика положения фильтрующих элементов 8. При расположении фильтрующих элементов 5 напротив приемника электромагнитного излучения 6. Синхронизатор 9 формирует один импульс за один оборот вращающегося диска 4. В результате на приемник электромагнитного излучения 6 поочередно поступают потоки излучения, прошедшие через фильтрующие элементы 5. Выходной сигнал приемника электромагнитного излучения 6 поступает в преобразователь электрического сигнала 2, на выходе которого появляется пульсирующий прямоугольный сигнал, минимальное и максимальное значения U_min и U_maxкоторого определяются интенсивностью электромагнитного излучения в частотных интервалах, выделенных фильтрующими элементами 5 из спектра излучения тлеющего разряда. Минимальному значению соответствует опорный сигнал в эталонном частотном интервале U_on U_min I_on; U_ф U_max I_ф. где I_on и I_ф интенсивность электромагнитного излучения в эталонном и аналитическом интервалах соответственно.

Пульсирующий прямоугольный сигнал U_ф с выхода преобразователя электрического сигнала 2 поступает (в первом варианте устройства, фиг.3) на вход логарифмического усилителя 11, на выходе которого после преобразования появляется пульсирующий прямоугольный сигнал, минимальное и максимальное значения U_min^лу, U_max^лу которого пропорциональны логарифму интенсивности электромагнитного излучения в эталонном и аналитическом интервалах: U_min^лу ln I_on; U_max^лу ln I_ф Переменная составляющая сигнала U_max^лу U _min^лу, выделенная посредством блока выделения переменной составляющей 12 поступает на вход демодулятора-преобразователя 13, где преобразуется в сигнал постоянного тока, пропорциональный частному от деления величин интенсивностей излучения в двух частотных интервалах, равный соответственно частному от деления аналитического сигнала на опорный сигнал. Выходной сигнал демодулятора U_дм ехр (ln I_ф ln I_on) I_ф/I_on поступает в индикатор 14, где отображает величину науглероживающей или азотирующей способности ионизированной атмосферы или сигнализирует о моменте образования избыточной фазы при достижении им заданного порогового значения U_пор¹ или U_пор², одно из которых свидетельствует о начале образования карбидной (карбонитридной) фазы, другое о начале сажевыделения на насыщаемой поверхности. Сигналы "мало" и "много" вырабатываются блоком аварийной сигнализации 15 при минимальном и максимальном значениях пульсирующего сигнала на выходе преобразователя электрического сигнала 2 соответственно меньше и больше допустимых значений (U_мало, U_много), определяемых чувствительностью приемника электромагнитного излучения.

Соответственно универсальный вариант устройства реализации способа диагностики процесса химико-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде работает следующим образом. Первичный преобразователь 1 содержит несколько фильтрующих элементов 5, закрепленных во вращающемся диске 4, и датчик положения фильтрующих элементов 8 (фиг.2). Один из фильтрующих элементов 5 предназначен для выделения опорного сигнала U_оп, соответствующего эталонному частотному интервалу, а остальные для выделения аналитических, интервалов по числу выполняемых функций: определения науглероживающей и азотирующей способности ионизированной атмосферы, момента образования избыточной карбидной (карбонитридной) фазы и момента сажевыделения. Датчик положения фильтрующих элементов 8 размещается вблизи вращающегося диска 4 таким образом, чтобы данный датчик 8 вырабатывал сигнал U_синхр. при нахождении одного из фильтрующих элементов 5, соответствующего эталонному частотному интервалу, напротив приемника электромагнитного излучения 6.

Преобразователь электрического сигнала 2 преобразует выходной сигнал приемника электромагнитного излучения 6 в прямоугольный сигнал сложной формы, мгновенное значение U_ф которого в любой момент времени определяется интенсивностью электромагнитного излучения в одном из частотных интервалов, выделенных фильтрующими элементами 5 из спектра излучения тлеющего разряда.

Выходной сигнал преобразователя электрического сигнала 2 поступает в блок 3 функционального преобразователя, где обрабатывается в соответствии с алгоритмом, заложенным в его структуре.

Блок запоминания 16 запоминает значение выходного сигнала U_фпреобразователя электрического сигнала 2 в момент прихода импульса синхронизации U_синхр.^о из синхронизатора 9. Так как синхронизатор 9 вырабатывает импульс только при расположении напротив приемника электромагнитного излучения 6 фильтрующего элемента 5 эталонного частотного интервала, блок запоминания 16 фиксирует значение опорного сигнала U_оп.

Блок деления 17 осуществляет деление сигнала, поступающего из преобразователя электрического сигнала 2 U_ф на зафиксированное блоком запоминания 16 значение опорного сигнала U_оп. В результате на выходе блока деления 17 появляется прямоугольный сигнал сложной формы, мгновенное значение которого в любой момент времени определяется частным от деления сигнала, пропорционального интенсивности электромагнитного излучения в одном из частотных интервалов, на опорный сигнал U_ф/I_оп, причем мгновенные значения сигнала характеризуют как науглероживающую и азотирующую способности атмосферы, так и фазовые превращения на насыщаемой поверхности.

Выходной сигнал блока деления 17 поступает в индикатор 14, где отображает величину науглероживающей и азотирующей способностей ионизированной атмосферы, а также сигнализирует о моменте образования избыточной фазы при достижении пороговых значений U_пор¹, U_пор².

Для синхронного отображения измеренных параметров индикатор 14 синхронизируется импульсами синхронизации, вырабатываемыми синхронизатором 9 U_синхр.^о и формирователем импульсов синхронизации 18 U_синхр., которые преобразуют выходной сигнал преобразователя электрического сигнала 2 в серию импульсов, следующих с частотой смены фильтрующих элементов 5 напротив приемника электромагнитного излучения 6.

Работа блока аварийной сигнализации 15 происходит аналогично первой модификации устройства.

Практическая реализация заявленного изобретения и его преимущества в части точности диагностики процесса химико-термической обработки, упрощения отработки технологических режимов химико-термического процесса позволяют уменьшить разброс концентрации углерода и азота по глубине диффузионного слоя.

Способ диагностики процесса химико-термической обработки в тлеющем разряде пригоден для сталей разного химического состава, включая как низкоуглеродистые стали, обрабатываемые без образования в диффузионном слое избыточной карбидной или карбонитридной фазы, так и комплекснолегированные стали, диффузионное насыщение которых сопровождается формированием в слое развитой двухфазной зоны, обеспечивающей повышенную износостойкость.

Детали из низколегированной стали подвергали нитроцементации для получения диффузионного слоя без избыточной карбонитридной фазы со следующими характеристика: эффективной толщиной 1 мм, концентрацией на поверхности: углерода 0,8% азота 0,2% Процесс проводили на опытно-промышленной установке, оснащенной автоматизированной системой управления технологическим процессом, содержащей в своем составе микропроцессор и устройство для диагностики процесса химико-термической обработки в тлеющем разряде.

Датчик устройства, размещенный на смотровом окне газоразрядной камеры, содержал блок выделения электромагнитного излучения в виде пяти фильтрующих элементов, установленных на вращающемся диске. Один из фильтрующих элементов выделял электромагнитное излучение, пропорциональное количеству углеродсодер- жащих активных составляющих ионизированной атмосферы; второй элемент электромагнитное излучение, пропорциональное количеству азотсодержащих активных составляющих ионизированной атмосферы. третий элемент электромагнитное излучение от активных частиц насыщаемого металла. Достижение порогового значения такого излучения давало возможность фиксировать момент начала образования на насыщаемой поверхности карбонитридной фазы. Четвертый фильтрующий элемент предназначался для формирования излучения от активных частиц сажистого углерода, по результату такого измерения контролировали начало сажевыделения. Пятый фильтрующий элемент выделял электромагнитное излучение от общего числа частиц ионизированной атмосферы, уровень которого формировал опорный сигнал.

Электрические сигналы, соответствующие пяти выделенным электромагнитным излучениям, после соответствующего преобразования поступали в блок функционального преобразователя, а затем в микропроцессор, который вырабатывал сигналы управления исполнительными механизмами регулирования расхода компонентов газовой атмосферы. Программа управления предусматривала также регулирование температуры и давления.

Для достижения заданных характеристик нитроцементированного слоя задавали два уровня (верхний и нижний) науглероживающей способности атмосферы, один уровень азотирующей способности и два пороговых значения сигнала, один из которых свидетельствовал о начале образования карбонитридной фазы, а другой о сажевыделении.

Подлежащие обработке детали, размещенные на катоде, нагревали в условиях вакуума до температуры 900 ± 5^оС. После изотермической выдержки в течение 20 минут в рабочую камеру по трем газовым магистралям подавали компоненты технологической атмосферы: C₂H₂, NH₃ и Ar. Последний выполнял функции газа-разбавителя. Затем зажигали тлеющий разряд, подогрев деталей от которого не превышал 10^оС. Слой формировали в режиме циклической подачи углеводорода, при котором стадии активного науглероживания чередовались со стадиями диффузионного выравнивания.

Цикл обработки включал поддержание на верхнем уровне науглероживающей способности атмосферы до момента образования на поверхности карбонитридной фазы, автоматическое снижение науглероживающей способности атмосферы до нижнего уровня, вызывающее развитие диффузионного выравнивания и растворение карбонитридов. По истечении 20 мин активность атмосферы снова автоматически увеличивалась до верхнего уровня и после того, как сигнал, формируемый третьим фильтрующим элементом, достигал порогового значения, активность атмосферы снова уменьшалась. В течение всего времени обработки сигнал, регистрирующий сажевыделение, оставался ниже порогового значения, что свидетельствовало о качественном проведении процесса.

В результате неэффективной диагностики процесса по способу-прототипу в диффузионном слое сформировалась бы избыточная карбонитридная фаза, объемная доля которой составила бы 15% Характеристики слоя в сравнении в теми, которые были получены при диагностике процесса по способу-прототипу, представлены в таблице.

При обработке комплекснолегированных сталей, подверженных интенсивному карбидообразованию в приповерхностном слое, опасность сажевыделения усиливается в конце процесса, что повышает актуальность диагностики начала сажевыделения.

При науглероживании деталей из комплекснолегированных сталей использование заявленного способа диагностики позволило зафиксировать начало сажевыделения на 100-й минуте насыщения. Регулирование процесса науглероживания позволило получить диффузионный слой заданных характеристик.

При цементации деталей из той же стали при использовании способа диагностики по прототипу не зафиксировано сажевыделение в технологической атмосфере, несмотря на то, что обрабатываемые детали были покрыты сажистым углеродом.

Характеристики диффузионного слоя и эксплуатационные свойства оказались неудовлетворительными.

На фиг.6 представлены результаты ионной нитроцементации комплекснолегированной стали, характеризующие высокую стабильность и достоверность при проведении технологического процесса, подтверждающие возможность многократного воспроизведения результатов насыщения с помощью заявленного способа и устройства.

Формула изобретения

1. Способ диагностики процесса химико-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде, заключающийся в контроле характеристик ионизированной атмосферы и последующей оценке параметров процесса, отличающийся тем, что в качестве характеристик ионизированной атмосферы используют ее электромагнитное излучение, а их контроль осуществляют путем выделения электромагнитного излучения, соответствующего активным составляющим и общему числу частиц ионизированной атмосферы в заданных частотных интервалах, и преобразования интенсивности выделенного электромагнитного излучения в заданных частотных интервалах в соответствующие электрические сигналы, при этом оценку параметров процесса осуществляют по количеству активных составляющих ионизированной атмосферы, которое получают сравнением полученных в результате преобразования электрических сигналов с одним из них, выбранным в качестве опорного и соответствующим интенсивности излучения от общего числа частиц ионизированной атмосферы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сравнение полученных в результате преобразования электрических сигналов с опорным сигналом осуществляют путем деления каждого из них на опорный.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при выделении электромагнитного излучения в качестве активных составляющих ионизированной атмосферы используют углеродсодержащие частицы, по количеству которых производят оценку науглероживающей способности ионизированной атмосферы.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при выделении электромагнитного излучения в качестве активных составляющих ионизированной атмосферы используют азотсодержащие частицы, по количеству которых производят оценку азотирующей способности ионизированной атмосферы.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при выделении электромагнитного излучения в качестве активных составляющих ионизированной атмосферы используют частицы насыщаемого металла и по достижении их количеством заданного порогового значения определяют момент образования избыточной карбидной или карбонитридной фазы на поверхности сталей и сплавов.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при выделении электромагнитного излучения в качестве активных составляющих ионизированной атмосферы используют частицы сажистого углерода и по достижении их количеством заданного порогового значения определяют момент сажевыделения на поверхности сталей и сплавов.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что граничные значения заданных частотных интервалов электромагнитного излучения, характеризующего состояние ионизированной атмосферы, устанавливают в виде постоянных или изменяющихся в процессе диагностики значений частот в зависимости от качественного состава ионизированной атмосферы.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что устанавливаемые граничные значения частотных интервалов определяют в процессе диагностики.

9. Устройство для диагностики процесса химико-термической обработки сталей и сплавов в тлеющем разряде, содержащее первичный преобразователь, подключенный посредством преобразователя электрического сигнала к блоку функционального преобразователя, отличающееся тем, что первичный преобразователь выполнен в виде блока выделения электромагнитного излучения от активных составляющих и общего числа частиц ионизированной атмосферы и приемника электромагнитного излучения, при этом блок выделения электромагнитного излучения от активных составляющих и общего числа частиц ионизированной атмосферы выполнен в виде фильтрующих элементов, установленных с возможностью последовательного позиционирования в зоне воспринимаемого электромагнитного излучения перед приемником электромагнитного излучения.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что блок функционального преобразователя выполнен в виде последовательно связанных логарифмического усилителя, блока выделения переменной составляющей, демодулятора-преобразователя и индикатора, а также блока аварийной сигнализации, причем входы блока аварийной сигнализации и логарифмического усилителя, служащие для подключения к выходу преобразователя электрического сигнала, соединены между собой.

11. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что блок выделения электромагнитного излучения от активных составляющих и общего числа частиц ионизированной атмосферы выполнен в виде диска с радиально размещенными в нем фильтрующими элементами, привода вращения диска и блока позиционирования фильтрующих элементов, при этом блок позиционирования фильтрующих элементов выполнен в виде последовательно связанных датчика положения фильтрующих элементов, синхронизатора и программного блока, выход которого подключен к приводу вращения диска.

12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что оно снабжено блоком позиционирования фильтрующих элементов и программным блоком, а блок функционального преобразователя выполнен в виде поледовательно связанных блока запоминания, блока деления и индикатора, а также формирователя импульсов синхронизации и блока аварийной сигнализации, причем входы блока аварийной сигнализации и формирователя импульсов синхронизации, а также информационный вход блока запоминания и вход делимого блока деления подключены к выходу преобразователя электрического сигнала, а управляющий вход блока запоминания подключен к выходу блока позиционирования, подключенного посредством программного блока к блоку выделения электромагнитного излучения от активных составляющих и от общего числа частиц ионизированной атмосферы, при этом входы индикатора соединены соответственно с управляющим входом блока запоминания и с выходом формирователя импульсов синхронизации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7