20 ноября 2016г.
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.
