ООО Ухань Фэн Эр Шунь Оборудование для Термической Обработки
здание 5-3, Промышленный парк «Ляньдун U-Гу», Экономическая зона развития Янло, р-н Синьчжоу, г. Ухань, Китай
ООО Ухань Фэн Эр Шунь Оборудование для Термической Обработки
здание 5-3, Промышленный парк «Ляньдун U-Гу», Экономическая зона развития Янло, р-н Синьчжоу, г. Ухань, Китай
Когда говорят про ионное азотирование, все сразу думают про источники питания, газовые смеси, режимы. А про рабочую камеру часто вспоминают в последнюю очередь, мол, стальной цилиндр с водяной рубашкой — что там сложного? Вот это и есть главная ошибка. От камеры зависит не просто герметичность, а стабильность всего процесса, повторяемость результатов и, в конечном счёте, — срок службы самого агрегата. Я не раз видел, как на новом, казалось бы, оборудовании не удавалось выйти на паспортные параметры по однородности слоя, и причина крылась как раз в деталях конструкции камеры, которые не учли при проектировании.
Идеальная рабочая камера ионного азотирующего агрегата — это не сосуд высокого давления. Это электрод, теплообменник и реактор в одном лице. Толщина стенки, материал (чаще всего 304 или 316 нержавейка), расположение смотровых окон — всё это не для галочки. Например, если камера слишком лёгкая, при интенсивном водяном охлаждении могут возникать локальные перепады температуры на внутренней поверхности. А это прямой путь к неравномерному разряду, особенно по углам и в зонах подвески.
Крышка — отдельная история. Система быстрого запирания — это, конечно, удобно. Но как она ведёт себя после 500-го цикла? Не появляется ли микроскопический 'подсос' из-за деформации уплотнения? Мы как-то полгода ломали голову над ростом фонового давления в установке, проверяли насосы, арматуру. Оказалось, виновата была именно крышка — её центральная часть от частых термоциклов 'просела' на пару десятых миллиметра, и основное уплотнение держало, а вот уплотнение кабельных вводов — нет.
И подвесная система. Казалось бы, анод. Но если он сделан без учёта распределения ёмкостной составляющей разряда, можно получить 'паразитные' зоны повышенной плотности тока на самой камере. Это приводит к локальному перегреву, а в худшем случае — к пробою. У китайских коллег из ООО Ухань Фэн Эр Шунь Оборудование для Термической Обработки в своих разработках я обратил внимание на их подход к катодной шине внутри камеры. Они её часто интегрируют в систему водяного охлаждения, что, на мой взгляд, умное решение для отвода тепла от точек высокой токовой нагрузки.
Вот здесь и выходит на первый план специализация компании, упомянутой выше. Если посмотреть на их сайт https://www.fengershun.ru, видно, что фокус — это мощные импульсные источники для плазменного азотирования. И это ключевой момент. Современный ионный азотирующий агрегат — это не постоянный ток. Импульсный, биполярный, с высокой частотой... А камера — это ёмкость и индуктивность в электрической цепи.
Была у нас опытная установка с внешним высокочастотным инверторным источником. Так вот, при определённых частотах сама камера начинала резонировать, превращаясь в своеобразный 'звонкий' контур. Визуально в плазме появлялись стоячие волны. Проблему решили не настройкой источника, а изменением геометрии внутренних проводящих элементов камеры — добавили демпфирующие перемычки. Это к вопросу о том, что камеру и источник нужно проектировать как единую систему. В описании технологий ООО Ухань Фэн Эр Шунь как раз подчёркивается разработка автоматических систем управления для плазменного азотирования, что, по сути, и означает интеграцию управления источником с обратной связью от датчиков, установленных в том числе и в камере.
Ещё один нюанс — потенциал камеры. В некоторых схемах её заземляют, в некоторых — подают на неё смещение. От этого кардинально меняется конфигурация плазменного слоя вокруг деталей. Если камера плохо отполирована внутри, имеет шероховатости или, не дай бог, окалину от сварки, в этих точках будут концентрироваться линии поля, что приведёт к микро-дугам. Они не только портят поверхность детали, но и 'съедают' катодное покрытие со стенок самой камеры, загрязняя процесс.
Водяная рубашка — вещь очевидная. Но как организован поток воды? Ламинарный или турбулентный? От этого зависит эффективность отвода тепла от стенок, которые греются не только от плазмы, но и от инфракрасного излучения с раскалённых деталей. Мы как-то попробовали для экономии увеличить скорость потока, перейдя на турбулентный режим. Да, стенки стали холоднее. Но появилась вибрация, которая передавалась на внутренний объём. Вакуумные датчики начали 'прыгать', система управления не могла стабилизировать давление. Пришлось возвращаться.
Абсолютные вакуумметры, которые компания ООО Ухань Фэн Эр Шунь указывает в своих ключевых достижениях, — это не просто для отчёта. Без точного знания абсолютного давления в камере, особенно в диапазоне 1-10 мбар, где идёт основная стадия азотирования, говорить о повторяемости бессмысленно. Манометры, работающие по перепаду давления, здесь часто врут из-за меняющегося состава газовой среды. Поэтому грамотное расположение отвода под вакуумметр (не в 'мёртвой' зоне потока) и использование правильного типа датчика — это часть культуры работы с камерой.
И про вакуумные уплотнения. Фторкаучук — стандарт. Но после длительной работы в атмосфере атомарного водорода и азота он 'дубеет'. Периодичность замены — вещь индивидуальная, её не найдёшь в мануале. Мы выработали своё правило: если после откачки до высокого вакуума время нарастания давления (rate of rise) увеличилось в два раза против нового состояния — пора менять все уплотнения, даже если визуально они целые.
Хочу привести пример из личного опыта, где проблема была не в технологии, а именно в камере. Обрабатывали партию длинных валов. После азотирования на некоторых из них под лупой была видна едва заметная пятнистость в структуре диффузионной зоны (не белый слой, а именно под ним). Металлография показывала неоднородность. Перепробовали всё: меняли соотношение газов, температуру, длительность.
Решение пришло случайно. При чистке камеры после очередного цикла обратили внимание, что на определённой высоте на стенке есть едва видимая полоса — след от более интенсивного осаждения. Оказалось, что в этом месте внутри рубашки охлаждения была небольшая каверна от литья (камера была литая!). В этой точке температура стенки была стабильно на 15-20 градусов Цельсия ниже. Это создавало локальную 'холодную' зону, на которой активнее шла рекомбинация активных частиц азота. Плазма в этом объёме была чуть другой, что и влияло на кинетику процесса на поверхности деталей, висевших как раз на этом уровне. После проточки и зашлифовки этого участка проблема ушла.
Смотрю на современные тенденции. Всё больше говорят о многокомпонентном насыщении (оксо-нитрирование, карбонитрирование). Это накладывает дополнительные требования к камере. Некоторые газы или их предшественники (например, ацетон для углерода) могут быть агрессивными или давать конденсат. Значит, нужно продумывать систему подогрева не только камеры, но и газоводящих трактов прямо до ввода, чтобы избежать конденсации на холодных стенках. Или делать ввод в зону с максимальным нагревом.
Автоматизация, о которой пишут многие, включая Фэн Эр Шунь, — это, конечно, будущее. Но любая АСУТП бесполезна, если датчики температуры (термопары или пирометры) 'смотрят' на деталь через нестабильную плазму в камере, которая ещё и меняет оптические свойства в процессе. Калибровка такой системы — это отдельное искусство, и оно напрямую завязано на геометрию камеры и расположение в ней изделий.
В итоге, что я хочу сказать? Рабочая камера — это живой организм установки. Её нельзя просто скопировать с чертежа. Её поведение нужно изучать и понимать в связке с конкретным источником питания, конкретной технологией и даже с конкретными типами обрабатываемых деталей. Часто именно тонкости, связанные с камерой, становятся тем самым 'ноу-хау', которое отличает просто работающий агрегат от агрегата, стабильно дающего высококачественный результат. Покупка даже самого продвинутого импульсного источника не гарантирует успеха, если камера не продумана до мелочей. И наоборот, грамотно спроектированная камера может раскрыть потенциал даже не самого мощного источника питания, обеспечив идеальные условия для протекания плазмохимических реакций.
