Смирнов_Измерение технол_параметров (831917), страница 8
Текст из файла (страница 8)
18).Рис. 18. Схема массопереноса и строенияграничного слоя при ионной цементацииВ первый момент цементации практически весь поступающий кповерхности углерод поглощается ею. По мере насыщения металладиффузионный отвод углерода уменьшается, а внешний поток, формируемый электрическим полем, сохраняется постоянно высоким.Несоответствие скоростей подвода и отвода углерода приводит к образованию на поверхности тонкого адсорбированного граничногослоя в виде комплекса FеiСНj (см.
рис. 18). Водород разбавляет граничный слой, снижает концентрацию углерода в нем и препятствуетхимическому взаимодействию железа и углерода. Граничный слойслужит источником активных атомов углерода для насыщаемого металла. Слой обеспечивает высокий градиент концентрации углеродана поверхности. Наличие этого слоя является важной причиной ускорения процесса науглероживания.49Вторая особенность ионной цементации состоит в том, чтозначение концентрации углерода в граничном слое является результатом взаимодействия трех потоков (см. рис.
18): подводящего потока углерода в виде частиц С, СН, C+, СН+ ; С диффузионного потока D , отводящего атомы углеро x да от поверхности вглубь металла; десорбционного потока, отводящего углерод от металла в газовую среду.Граничный слой находится в динамическом взаимодействии сгазовой средой и с поверхностью металла, изменяясь по ходу диффузионного насыщения.
Он постоянно пополняется поступающимииз газовой среды частицами C, СН, Н и таким образом обогащаетсяуглеродом. В то же время поступающий водород взаимодействует суглеродом граничного слоя, образуя десорбционный поток потокчастиц СН, который совместно с катодным распылением удаляетуглерод с поверхности.
Кроме того, углерод от поверхности вглубьметалла отводится диффузионным потоком.Наличие противоположных процессов — доставка углерода кповерхности и отвод его от поверхности — создает условия длярегулирования концентрации углерода в граничном слое и, какследствие, на поверхности насыщаемого металла.Концентрация углерода на поверхности может изменяться, если изменяются: состав газовой среды — объемная концентрация углеводорода и водорода; электрические параметры тлеющего разряда — напряжениегорения разряда и его удельная мощность.Изменение этих факторов (преимущественно концентрацииуглеводорода) дает возможность гибко управлять процессом науглероживания.Подводящий и отводящие потоки находятся в динамическомвзаимодействии.
Изменение плотности подводящего потока вызывает адекватное изменение двух отводящих потоков.Плотность подводящего потока определяется составом газовой среды, ее давлением, электрическими характеристиками разряда. Плотность этого потока на усмотрение оператора-технолога50может оставаться постоянной в процессе насыщения или изменяться по определенной программе. В зависимости от этого фактора различают одностадийный процесс (подводящий поток постоянен во времени), двухстадийный и циклический.Плотность диффузионного потока уменьшается в процессенасыщения, что способствует увеличению концентрации углеродав граничном слое.
Соответственно изменяется уровень отводящегодесорбционного потока: чем больше концентрация углерода в граничном слое, тем больше десорбционный поток. Наличие такойзакономерности дает возможность однозначно судить о концентрации углерода на насыщаемой поверхности по уровню отводящего десорбционного потока.На основе этих закономерностей создана система компьютерного контроля и управления насыщающей способностью ионизированной атмосферы.Принцип действия и устройство системыкомпьютерного управленияКонтроль насыщающей способности ионизированной атмосферыоснован на принципе спектральной (бесконтактной) диагностикипроцессов, происходящих в непосредственной близости от насыщаемой поверхности.
В основе этого принципа лежит анализ оптического излучения активных составляющих частиц плазмы, десорбируемых с поверхности. Уровень такого излучения несет информацию охимическом составе поверхности. Для реализации этого принципаразработана система компьютерного управления (рис. 19), элементами которой являются датчик 4, электронный блок 5 и управляющийкомпьютер 6.Система состоит из измерительного, расчетного и исполнительного модулей, объединенных управляющим компьютером.Измерительный модуль состоит из датчика 4 и электронногоблока 5 (см.
рис. 19). Датчик размещен на смотровом окне 3 снаружи газоразрядной камеры 1. Он вырабатывает электрическийсигнал, который обрабатывается электронным блоком 5 и поступает в компьютер 6. Выходной сигнал измерительного модуляпропорционален концентрации углерода на поверхности металланепосредственно в процессе насыщения.51Рис. 19. Система компьютерного управления насыщающейспособностью ионизированной атмосферы:1 газоразрядная камера; 2 деталь; 3 окно; 4 датчик; 5 электронный блок; 6 управляющий компьютер; 7 регуляторрасхода углеродсодержащего газаЭтот сигнал в виде постоянного напряжения подается на входАЦП интерфейсной платы, где преобразуется в цифровой код ипоступает в управляющий компьютер.
На основе выходного сигнала измерительного модуля разработанное программное обеспечение рассчитывает значение концентрации углерода на насыщаемой поверхности металла.Расчетный модуль дает возможность управлять процессомнасыщения в автоматизированном режиме. Работа модуля основанана математической модели процесса и программном обеспечении.Определенная измерительным модулем концентрация углерода в текущий момент времени является граничным условием длярешения кинетического уравнения диффузии и расчета концентрационной кривой.Расчетный модуль вычисляет распределение концентрацииуглерода по толщине диффузионного слоя и отображает его эволюцию в режиме реального времени на экране монитора.Программное обеспечение дает возможность также выполнитьпредварительный расчет закона изменения Спов и технологическихпараметров для формирования заданной концентрационной кривой.Исполнительный модуль вырабатывает управляющие сигналы для регулятора расхода углеродсодержащего газа.
Регулятор 752(см. рис. 19) обеспечивает расход газа в соответствии с заданнойконцентрацией углерода на поверхности металла в данный моментвремени. Наличие гибкой обратной связи дает возможность получать диффузионные слои стабильного и высокого качества.Весь процесс диффузионного насыщения отображается наэкране монитора, который имеет четыре окна (рис. 20).Рис. 20. Вид экрана монитора при работе системы компьютерного управления:а — окно исходных данных; б, г — окна кинетики; в — окно моделированияВ окне исходных данных (рис. 20, а) выводится цифровая информация о технологических параметрах процесса: отображаютсятемпература и давление газовой среды, время с начала насыщения.53В окнах кинетики представлены изменение во времени выходного сигнала измерительного модуля (рис. 20, б) и изменениеконцентрации углерода на поверхности металла (рис.
20, г) как результат автоматического управления.В окне моделирования (рис. 20, в) в режиме реального времениотображается текущее значение насыщающей способности (активности) АС атмосферы и распределение концентрации углерода потолщине диффузионного слоя, т. е. основной результат обработки.Система компьютерного управления обеспечивает выполнение заданного режима обработки и, как следствие, формированиеконцентрационной кривой, отвечающей требуемым эксплуатационным свойствам.Погрешность обработки составляет: по концентрации углерода на поверхности 0,05 %; по толщине диффузионного слоя 0,05 мм.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬЗадание1.
Ознакомиться с назначением составных частей и принципомдействия универсальной установки ионно-вакуумной ХТО, особенностями системы компьютерного управления насыщающей способностью ионизированной атмосферы, основными командами автоматизированной измерительной системы (АИС) «Детектор-Ион».2. Установить влияние объемной концентрации углеводородав составе насыщающей атмосферы на показания измерительногомодуля системы управления и углеродный потенциал ионизированной атмосферы при науглероживании фольги стали 20 притемпературе 950 °С.3.
По математической модели процесса науглероживания рассчитать для стали 20 распределение углерода в диффузионномслое и определить его характеристики при трех вариантах проведения процесса: одностадийном; двухстадийном; циклическом.4. Оценить качество диффузионных слоев, рассчитанных дляразличных вариантов проведения науглероживания.54Последовательность выполнения работы1. Включение и отключение лабораторной установки, открывание и перекрывание газовых баллонов и магистралей осуществляет преподаватель или обслуживающий персонал.2.
Установить с помощью регулятора расхода углеродсодержащего газа заданные значения объемной концентрации углеводорода в технологической атмосфере. После завершения переходныхпроцессов в газовой магистрали определить показания измерительного модуля системы управления, используя программу АИС«Детектор-Ион».3. По измеренным показаниям с помощью тарировочной кривой измерительного модуля системы управления определить значения углеродного потенциала ионизированной атмосферы и концентрации углерода в фольге, отвечающие заданным значениямобъемной концентрации углеводорода.4. Построить зависимость углеродного потенциала атмосферыот объемной концентрации углеводорода.5.
Изучить и зарисовать микроструктуру образцов фольги стали 20, насыщенных при значениях углеродного потенциала C = 0;0,2; 0,4; 0,8; 1,2 %. Определить по микроструктуре образцов содержание углерода в фольге; сравнить полученные данные со значениями углеродного потенциала ионизированной атмосферы.6. По заданным значениям углеродного потенциала атмосферы, температуры и времени насыщения рассчитать для массивныхобразцов стали 20 распределение углерода в диффузионном слоепри одно-, двухстадийной и циклической схемах проведения процесса. Распечатать полученные распределения углерода и определить характеристики диффузионных слоев: концентрацию углерода на поверхности Спов ; эффективную толщину hэф ; градиентконцентрации углерода . Для расчетов использовать программное обеспечение «Математическая модель процесса науглероживания». Результаты расчетов представить в виде табл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
