При поверхностном упрочнении стальных изделий с помощью микродуговой химико-термической обработки (МДХТО) важнейшим параметром процесса является температура [1,2,4-7]. Информация о температуре позволяет проводить анализ основных процессов, протекающих при диффузионном насыщении: образования активных атомов диффузанта, их адсорбции насыщаемой поверхностью, диффузии вглубь стального образца. Верхней границей температурного интервала процесса диффузионного насыщения при МДХТО является значение 1250ºС [7].

Для измерения температуры образцов при проведении металловедческих исследований наиболее часто используют термопары, типы которых выбираются исходя из температурного интервала исследуемого процесса [3,8]. Наиболее распространенными в России типами термопар являются: хромель-копель ТХК (обозначение L по стандарту МЭК), хромель-алюмель ТХА (K) и платина-платинородий ТПП (S или P).

Преобразователь термоэлектрический хромель-копелевый применяется для точных измерений температуры и обладает наибольшей дифференциальной чувствительностью из всех промышленных термопар. Он обладает исключительно высокой термоэлектрической стабильностью, однако применяется при температуре не более 600°С

Преобразователь термоэлектрический хромель-алюмелевый является самым распространенным при проведении промышленных измерений и в научных исследованиях. Он предназначен для измерения температуры до 1100°С (длительно) и 1300°С (кратковременно) в окислительной и инертных средах. Главное преимущество ТХА по сравнению с другими термопарами из неблагородных металлов состоит в значительно большей стойкости к окислению при высоких температурах.

Преобразователь платина-платинородий применяется при промышленных и лабораторных измерениях высоких температур в диапазоне 1000-1600°С. Его основными достоинствами являются хорошее сопротивление коррозии при высоких температурах, высокая температура плавления и достаточно большая термоЭДС.

Для измерения температуры в процессе МДХТО был выбран преобразователь ТПП платина-платинородий.

Измерение температуры при МДХТО необходимо проводить с учетом особенностей процесса, к которым следует прежде всего отнести быстрый нагрев и малую продолжительность.

Точность измерения температуры с помощью термопары зависит от чувствительности и инерционности двух основных элементов средства измерений: датчика температуры и регистрирующего прибора.

При измерении температуры проволочными термопарами возникает ряд погрешностей, причинами которых, например, могут быть:

-      приток или отвод тепла за счет собственной теплопроводности материала термоэлектродов;

-        недостаточный тепловой контакт между рабочим спаем термопары и металлическим образцом.

Приток или отвод тепла за счет собственной теплопроводности термоэлектродов можно снизить с помощью контактирования с объектом измерения не только спая термопары, но и некоторой длины проводов термопары, как это, например, показано на рисунке 1.

Примеры недостаточного теплового контакта рабочего спая термопары с поверхностью образца приведены на рисунке 2.

На рисунке 3 приведены рекомендуемые [8] способы крепления измерительного спая термопары с образцом:

В процессе МДХТО нагрев осуществляется пропусканием электрического тока через стальное изделие, поэтому возможно появление дополнительной погрешности, возникающей из-за наложения на термоЭДС падения напряжения на образце между точками приварки термопары.

Рассмотрим возможные способы снижения такой погрешности при нагреве переменным и постоянным током [8].

1. Нагрев переменным током.

 а) Применение электрических фильтров.

 Этот способ дает удовлетворительные результаты при скорости нагрева до 2000 град/с и частоте нагревающего тока 50 Гц, поскольку в качестве фильтров используются конденсаторы большой емкости (200-1000 мкФ).

б) Увеличение частоты нагревающего тока до 1000-1500 Гц. 

При такой частоте в образцах диаметром 1,5-2,0 мм еще не сказывается поверхностный эффект, при этом переменная составляющая возможной помехи не оказывает влияния на результат измерения, так как ее максимальная частота составляет 600-800 Гц.

 При нагреве переменным током и возникновении синусоидальной помехи возможно воспроизведение термической кривой по серединам амплитуд пилообразной кривой, в результате чего значительно повышается достоверность результатов измерений (рисунок 4).

1. Нагрев постоянным током.

 

При использовании постоянного тока для нагрева образцов в термопаре также наводятся помехи, поэтому целесообразно использовать устройства для подавления помех (рисунок 5).

В этом устройстве термопара состоит из трех проволок: П1, П2 и П3, причем П2 и П3 выполнены из одного и того же материала и подключены к потенциометру R. После приварки термопары через образец пропускают небольшой переменный ток, усиливают и измеряют напряжение между точками b (ползунок потенциометра) и a (средний провод термопары). Затем с помощью потенциометра добиваются эквипотенциальности точек a и b, т.е. доводят этот сигнал до нуля. Это позволяет значительно уменьшить помехи при последующем нагреве образца постоянным током.

Выбор способа крепления термопары на поверхности образцов для исследования кинетики их нагрева осуществлялся с учетом априорно высокой температуры процесса МДХТО, не позволяющей использовать пайку для фиксации рабочего спая.

При измерении температуры образцов в процессе МДХТО рабочий спай термопары типа ТПП с диаметром проводов 0,3 мм был зачеканен в поверхность цилиндрического образца из стали 20 диаметром 12 мм и длиной 35 мм, причем для снижения возможных потерь тепла отверстие на поверхности изделия было выполнено под углом не 90º, а 30º, что позволило учесть рекомендации, приведённые на рис. 3 и обеспечить контактирование с образцом не только рабочего спая, но и части термоэлектродов. Образец на половину длины погружался в рабочую ячейку, заполненную электропроводной средой, в качестве которой был выбран порошок каменного угля с размером частиц 0,4-0,6 мм. Для предотвращения науглероживания провода термопары размещались в керамической трубке. Свободные концы термопары подсоединяли к цифровому мультиметру APPA-305, с которого результаты измерений передавались на персональный компьютер через интерфейс RS-232.

Список литературы

 

1. Домбровский Ю.М. Микродуговая цементация стальных изделий в порошковых средах 

/ Ю.М.Домбровский, М.С.Степанов // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2013. - № 12. С. 25-29.

2.       Домбровский Ю.М. Новые возможности поверхностного легирования стали в порошковых средах / Ю.М.Домбровский, М.С.Степанов // Вестник машиностроения, 2015, № 8. С. 79-81.

3.   Коленко Е.А. Технология лабораторного эксперимента: Справочник / Е.А.Коленко. – СПб: Политехника, 1994. – 751 с.

4.   Степанов М.С. Формирование карбидного покрытия при микродуговом хромировании стали / М.С.Степанов, Ю.М.Домбровский // Упрочняющие технологии и покрытия. 2015.№ 1. С. 35-38.

 5.          Степанов М.С. Формирование карбидного покрытия при микродуговом молибденировании стали / М.С.Степанов, Ю.М.Домбровский // Упрочняющие технологии и покрытия, 2015, № 10. С. 34-38.

6.   Степанов М.С. Термодинамический анализ реакций формирования карбидного слоя в стали при микродуговом насыщении молибденом / М.С.Степанов, Ю.М.Домбровский // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 2016, № 59(2). С. 77-81.

7.    Степанов М.С. Кинетика нагрева при микродуговой химико-термической обработке стальных изделий / М.С.Степанов, Ю.М.Домбровский, Ю.А.Корнилов // Заводская лаборатория, 2016, № 3. С. 42-44.

8. Черепин В.Т. Экспериментальная техника в физическом металловедении / В.Т.Черепин. – Киев: Техника, 1968. – 280 с.