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
Часто вижу, как в техпаспортах или в обсуждениях фокусируются на одной цифре — ?оптимальная рабочая температура?. Для ионного азотирования это, конечно, критичный параметр, но зацикливаться только на нём — это первый путь к нестабильному результату. Сам через это проходил: выставлял по учебнику 520-560°C для стали, а слой получался то хрупкий, то неравномерный. Оказалось, всё упирается не в саму температуру, а в её связку с давлением, составом газовой среды и, что самое капризное, — с стабильностью разряда. Вот об этом и хочу порассуждать, отталкиваясь от практики, а не от идеальных графиков.
Начну с главного заблуждения. Многие, особенно те, кто только начинает работать с установками, считают, что если агрегат вышел на 550°C и держит её, то процесс идёт правильно. На деле же, эта самая рабочая температура — не заданная константа, а равновесное состояние между подводом энергии от плазмы и отводом тепла изделием и камерой. У нас, например, на старой отечественной установке ИН-1А при номинальных 540°C температура на поверхности детали сложной конфигурации могла плавать на 30-40 градусов. И виновата была не термопара, а локальные ?перегревы? из-за геометрии и сбоев в эмиссии электронов.
Поэтому сейчас, когда мы говорим о современных системах, вроде тех, что разрабатывает ООО Ухань Фэн Эр Шунь Оборудование для Термической Обработки (их сайт — fengershun.ru), ключевым становится не просто нагрев, а управление разрядом. Их направление — импульсные источники питания — как раз решает эту проблему. Мощный импульсный источник не даёт дуге перерасти в неконтролируемый нагрев одной точки, а значит, и температура в объёме камеры выравнивается. Без такого питания даже самая точная печь не спасёт.
Запомнил один случай с азотированием пресс-форм. Выставили 580°C для ускорения процесса, но использовали обычный источник. Результат — ?пятнистость? по твёрдости. Потом, уже с импульсным блоком от того же Фэн Эр Шунь, повторили при 570°C — и слой лёг ровно. Разница в 10 градусов? Нет, разница в стабильности плазмы, которую этот блок обеспечивал. Температура стала не целью, а следствием правильно настроенного разряда.
Если копнуть глубже, то факторов, влияющих на реальный тепловой режим, масса. Первое — материал катодов (подвесок). Они же тоже греются и могут стать источником паразитного излучения. На моей памяти медные держатели в определённом диапазоне давлений (около 2-3 мбар) начинали ?фонить? и создавали лишние термопары в камере, сбивая показания.
Второе — состояние поверхности изделия. Оксидная плёнка, остатки промывочной жидкости — всё это меняет эмиссионную способность, а значит, и локальный нагрев под действием плазмы. Бывало, что детали из одной партии, но с разной предварительной очисткой, в одной камере показывали разницу в поверхностной температуре до 25°C по пирометру. И это при том, что термопара в печи была одна и показывала ?стабильные? 530°C.
И третье, о чём часто забывают, — это динамика процесса. В начале, при прогреве, температура растёт быстро, а когда начинается активное поглощение азота поверхностью, нагрев замедляется — идёт эндотермическая реакция. Если источник питания не может гибко скомпенсировать это падение мощности разряда, будет просадка по температуре. Вот здесь-то и проявляется преимущество автоматических систем управления, которые компания Фэн Эр Шунь интегрирует в свои решения. Система не просто держит заданную цифру, а отслеживает скорость изменения температуры и корректирует мощность импульсов, учитывая стадию процесса.
С измерением температуры в ионно-плазменной установке — отдельная история. Стандартная термопара в защитном колпачке — это хорошо, но она измеряет температуру газа и излучения в своей точке, а не детали. Для точных работ, особенно с инструментальными сталями, мы дополнительно используем оптический пирометр, нацеленный непосредственно на эталонную деталь в камере. И вот тут часто вскрывается расхождение в показаниях.
Одна из насущных проблем — закопчение окошка пирометра. Даже при правильно подобранном составе атмосферы (скажем, 25% азота, остальное — водород) углерод с поверхности деталей или с неправильно подобранных уплотнений может осаждаться на кварце. Показания начинают ?плыть?. Приходится либо закладывать поправку, основанную на опыте (что не есть точно), либо использовать системы с автоматической продувкой. К слову, в продвинутых комплексах для плазменного азотирования, подобных тем, что описаны на fengershun.ru в разделе про автоматические системы, такие вопросы решаются на аппаратном уровне.
Ещё один момент — калибровка. Термопары в агрессивной плазменной среде постепенно деградируют. Раньше мы меняли их раз в полгода по регламенту. Но после внедрения вакуумметров с более высокой точностью (абсолютные вакуумметры, кстати, тоже входят в компетенцию Фэн Эр Шунь) поняли, что деградация идёт быстрее при частых циклах с резким охлаждением. Теперь калибруем чаще, сверяя с пирометром. Это рутина, но без неё все разговоры о точной рабочей температуре теряют смысл.
Теперь к сути — зачем нам так заморачиваться? Потому что температура — это главный рычаг, которым мы управляем фазовым составом азотированного слоя. Все знают, что при температурах ниже 500°C преимущественно формируется γ'-фаза (Fe?N), которая даёт высокую твёрдость, но меньшую глубину. А выше 550°C начинает доминировать ε-фаза (Fe???N), более вязкая и глубокая. Но в реальности на детали сосуществует смесь фаз, и их соотношение определяется не средненедельной температурой, а тем, как именно деталь прогревалась в каждый момент времени.
Приведу пример неудачи. Азотировали шестерни из стали 40Х. По техпроцессу нужно было получить слой с преобладанием ε-фазы для повышения сопротивления усталости. Держали 580°C, но в середине цикла на 20 минут произошёл сбой в питании — температура упала до 520°C, потом снова подняли. Микроструктура показала резкую границу между зонами с разным содержанием γ'-фазы. Детали не прошли испытания на изгиб. Вывод: важна не только заданная точка, но и недопустимость значительных колебаний. Именно для этого и нужны мощные импульсные источники питания с быстрым откликом, способные нивелировать такие просадки.
Интересный нюанс — для многокомпонентного насыщения (например, азотирование с добавлением углерода или кислорода) роль точного температурного контроля ещё выше. Скажем, для получения оксинитридного слоя нужно строго выдерживать окно 480-520°C. Превысишь — оксиды не формируются правильно, получишь обычный нитридный слой с другими свойствами. Здесь автоматика, управляющая и температурой, и подачей газов, становится не просто удобством, а необходимостью.
Исходя из всего этого, мой практический вывод такой: гнаться за супервысокими или сверхнизкими температурами смысла мало. Нужно гнаться за стабильностью и воспроизводимостью теплового режима в каждой точке обрабатываемой партии. И это вопрос в первую очередь к системе управления и источнику питания установки.
Сейчас на рынке появляются решения, которые сводят человеческий фактор к минимуму. Я изучал опыт внедрения оборудования от ООО Ухань Фэн Эр Шунь Оборудование для Термической Обработки. Их подход, судя по описаниям на их сайте, строится на связке: мощный импульсный источник + прецизионный вакуумный контроль + алгоритм управления, учитывающий обратную связь по току разряда и температуре. Это уже не просто ?печь с нагревом?, а технологический комплекс. Для нас, технологов, это значит, что можно будет задавать не просто ?температуру 550°C?, а целевую кинетику роста слоя, а система сама подберет и будет поддерживать нужный тепловой режим, компенсируя возмущения.
В перспективе, думаю, дискуссии о рабочей температуре ионного азотирующего агрегата сместятся с обсуждения абсолютных значений к обсуждению методов её динамической стабилизации и корреляции с онлайн-диагностикой формирующегося слоя. А пока что, мой совет коллегам — меньше смотрите на центральный индикатор температуры, больше — на равномерность свечения плазмы и на стабильность показаний вакуумметра. Они зачастую говорят о реальном процессе больше, чем самая точная термопара.
