ЖУРНАЛ СТА 1/2012

термообработки, возникающих на про- изводствах, очень трудно охватить одним аппаратным комплексом, а адап- тация ИИС реально приводила к не- обходимости создания практически новой разработки. Таким образом, практика потребова- ла иного подхода, а именно – создания автоматизированной системы управле- ния технологическим процессом (АСУ ТП) химико-термической обработки, то есть специализированного комплек- са программных и технических средств. Принцип построения АСУ должен поз- волять гибко настраивать систему при- менительно к условиям решаемой зада- чи путём незначительного изменения или дополнения состава оборудования и корректировки программного обес- печения. АСУ ТП должна обладать та- кой важной в данном случае характери- стикой, как масштабируемость, то есть она должна одинаково хорошо подхо- дить для автоматизации как одной установки, так и целого участка или всего цеха, причём расширение систе- мы должно происходить без остановки уже работающих под её управлением мощностей. Это не только удешевляет проект в расчёте на единицу оборудо- вания, но и позволяет подобрать совре- менные технические средства и стан- дартное программное обеспечение для решения практически всех встречаю- щихся на производстве задач по авто- матизации технологических процессов химико-термической обработки. П РОЦЕССЫ ХИМИКО - ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ Технологические процессы химико- термической обработки весьма разно- образны, поэтому целесообразно огра- ничиться описанием только тех из них, с которыми пришлось столкнуть- ся при решении практических задач создания автоматических систем управ- ления: ● цементация природным газом в ка- честве карбюризатора, ● генерирование эндотермической ат- мосферы, ● газовая цементация с газообразными карбюризаторами, ● газовая цементация с жидкими кар- бюризаторами. Химико-термическая обработка вы- зывает изменение химического состава, структуры и свойств поверхностных слоёв металла. Цель химико-термиче- ской обработки – повышение поверх- ностной твёрдости, износостойкости, предела выносливости, коррозионной стойкости, жаростойкости. При химико-термической обработке происходит обогащение поверхностных слоёв одним или несколькими элемен- тами-неметаллами. При этом одновре- менно протекают следующие физико- химические процессы: ● разложение молекул с образованием активных атомов диффундирующего элемента (диссоциация); ● поглощение активных атомов по- верхностью металла (адсорбция); ● проникновение атомов, адсорбиро- ванных поверхностью, вглубь металла (диффузия). Диффузия может осуществляться только в том случае, если диффунди- рующий элемент образует с основным металлом твёрдый раствор или химиче- ское соединение. Скорость диффузии зависит от типа насыщающего элемен- та, его концентрации на поверхности и температуры процесса. На практике де- тали нагревают до определённой тем- пературы и выдерживают в среде, со- держащей достаточное количество того элемента, которым производится насы- щение. В результате образуется диффу- зионный слой, содержание диффунди- рующего элемента в котором понижа- ется по мере удаления от поверхности. Глубина диффузионного слоя и кон- центрация диффундирующего элемен- та в слое зависят от температуры насы- щения, длительности выдержки и кон- центрации диффундирующего элемен- та во внешней среде. К химико-термической обработке от- носятся процессы насыщения по- верхностных слоёв стали углеродом (це- ментация), азотом (азотирование), уг- леродом и азотом (цианирование, нит- роцементация) и др. Цементацией называется процесс по- верхностного насыщения углеродом для получения требуемого распределения углерода по сечению детали, высокой твёрдости поверхностного слоя при большой прочности сердцевины детали. Толщина цементированного слоя опре- деляется условиями работы деталей и составляет 0,5–1,5 мм. Различают сле- дующие виды цементации: ● в твёрдом карбюризаторе, ● газовую (с подачей в печь газового или жидкого карбюризатора), ● жидкостную (при нагреве в соляной ванне). Газовая цементация является в на- стоящее время основным процессом упрочнения поверхности при массо- вом производстве деталей. При газовой цементации углеводороды являются основными науглероживающими газа- ми, причём главную роль среди них иг- рает метан. Природный газ содержит большое количество метана (77–97%) и является наиболее распространён- ным карбюризатором для газовой це- ментации. Для управления величиной углеродного потенциала в печной ат- мосфере при подаче природного газа в печь необходимо поддерживать опре- делённую концентрацию цементирую- щего элемента, что ранее достигалось изменением расхода газа. Но этот ме- тод регулирования довольно инерцио- нен и не устраняет риска образования сажи на поверхности деталей. Поэтому основным методом управления при таком способе ввода карбюризатора в настоящее время является подача в печь наряду с природным газом не- большой доли атмосферного воздуха, что позволяет достаточно эффективно управлять уровнем углеродного потен- циала. Природный газ нельзя считать опти- мальной цементирующей средой, так как при цементации природным газом всё-таки трудно обеспечить получение высокого качества цементированных деталей в связи с интенсивным саже- и коксообразованием. Поэтому в совре- менном машиностроении в качестве цементирующего газа широко приме- няют эндотермическую атмосферу (эн- догаз). Эндотермическая атмосфера может быть использована почти для всех термических и химико-термиче- ских операций, причём состав атмосфе- ры удобно регулировать по точке росы или содержанию СО 2 . Контролируемая эндотермическая атмосфера образуется в специальных аппаратах (эндогенера- торах) при частичном сжигании метана при коэффициенте избытка воздуха α = 0,25 и распаде значительной части метана без доступа воздуха. Путём из- менения коэффициента избытка возду- ха можно получать атмосферу с требуе- мым углеродным потенциалом. Химизм выделения атомарного угле- рода при цементации в эндогазовой ат- мосфере сводится к распаду метана и окиси углерода: СН 4 = С + 2Н 2 , (1) 2СО = СО 2 + С. (2) Процесс цементации протекает в не- сколько этапов: ● диффузия молекул цементирующего газа к поверхности стальных деталей; СИС Т ЕМНА Я ИН Т Е Г Р АЦИЯ / МАШИНОС Т РОЕ НИЕ 57 СТА 1/2012 www.cta.ru © СТА-ПРЕСС