satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical University10.21122/2227-1031-2018-17-5-368-377sat-1866Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGГазодинамические характеристики тлеющего разряда при ионном азотированииGas-Dynamic Specifications of Glow Discharge During Ion Nitriding ProcessБосяковМ. Н.BosyakovM. N.

Кандидат физико-математических наук

КозловА. А.KozlovA. A.

Адрес для переписки: Козлов Алексей Александрович – Министерство промышленности Республики Беларусь, пр. Партизанский, 2, корп. 4, 220033, г. Минск, Республика Беларусь. Тел.: +375 17 330-05-31    alex-ett@tut.by

Address for correspondence: Kozlov Aleksey A. – Ministry of Industry of the Republic of Belarus, 2, k. 4 Partizansky Ave., 220033, Minsk, Republic of Belarus. Tel.: +375 17 330-05-31    alex-ett@tut.by

alex-ett@tut.byФизико-технический институт НАН БеларусиБеларусьPhysical-Engineering Institute of the NAS of BelarusBelarusМинистерство промышленности Республики БеларусьБеларусьMinistry of Industry of the Republic of BelarusBelarus201812102018175368377Copyright © Босяков М.Н., Козлов А.А., 20182018Босяков М.Н., Козлов А.А.Bosyakov M.N., Kozlov A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sat.bntu.by/jour/article/view/1866

Ионно-плазменное азотирование в тлеющем разряде – широко используемый метод поверхностного упрочнения в промышленно развитых странах мира. Ионно-плазменное азотирование – наиболее современный и технологичный вид поверхностного упрочнения деталей машин, пресс-форм, штампов и режущего инструмента. Однако в литературе отсутствует подробное описание технических характеристик и функционирования газовакуумной части установок ионного азотирования, что не позволяет оценить расход электроэнергии на работу газовакуумной системы при оценке эффективности использования данного оборудования. Рассмотрены вопросы взаимосвязи газодинамических параметров процесса азотирования (давление и расход газов) и энергетических характеристик тлеющего разряда (плотность тока, напряжение разряда) при ионном азотировании на установках промышленного типа и их влияние на процесс. На основании расчетно-практического моделирования вакуумной системы установки ионного азотирования показано, что для обеспечения независимого управления скоростью откачки и расходом газовой смеси целесообразно использовать вакуумные агрегаты – последовательно соединенные форвакуумный и двухроторный насосы. Это позволяет проводить процессы азотирования в широком диапазоне давлений при возможности обеспечивать большие расходы плазмообразующего газа при низком давлении в случае обработки больших площадей. Выявлены взаимосвязи температуры, давления в камере и плотности тока тлеющего разряда, обеспечивающие его существование в виде аномального. Показано, что чем ниже рабочее давление при проведении процесса, тем большую степень аномальности разряда можно обеспечить при одинаковой температуре садки и тем самым – большую температурную однородность, обеспечивающую равномерность азотированного слоя на всех деталях садки.

Ion-plasma nitriding in glow discharge is a widely used method of surface hardening in the industrialized countries of the world and it is the most modern and technological type of surface hardening of machine parts, molds, dies and cutting tools. However there is no detailed review in the literature of technical characteristics and operation of a gas-vacuum part in ion nitriding units and it does not allow estimating electric power consumption for operation of a gas-vacuum system while assessing efficiency of the given equipment. The paper considers problems pertaining to relationship of gas-dynamic parameters of the nitriding process (pressure and gas flow rate) and energy characteristics of the glow discharge (current density, discharge voltage) during ion nitriding at industrial plants and their impact on the process. Calculation-practical modeling of a vacuum system for an ion nitriding installation shows that it is advisable to use vacuum units which represent consistently connected forevacuum and two-rotor pumps in order to ensure independent control of a pumping speed and flow rate of the gas mixture. Such approach makes it possible to carry out nitriding processes in a wide range of pressures with the possibility to provide high plasma gas rates at a low pressure, in particular, when processing large areas. The paper has revealed temperature interrelations, chamber pressure and glow discharge current density that ensure its existence in the abnormal form. It has been shown that at lower operational pressure during the process, higher degree of discharge abnormality can be provided at uniform temperature of the batch. Due to this it is possible to attain higher temperature similarity which ensures uniformity of a nitrided layer on all parts of the batch.

ion-plasma nitridinggas-dynamic parametersvacuum systemcalculation-practical modelingReferencesБерлин, Е. В. Плазменная химико-термическая обработка поверхности стальных деталей / Е. В. Берлин, Н. Н. Коваль, Л. А. Сейдман. М.: Техносфера, 2012. 464 с.Berlin E. V., Koval N. N., Seidman L. A. (2012) Plasma Chemical-Thermal Treatment of Steel Parts’ Surface. Moscow, Tekhnosfera Publ. 464 (in Russian).Пастух, И. М. Теория и практика безводородного азотирования в тлеющем разряде / И. М. Пастух. Харьков: ННЦ ХФТИ, 2006. 364 с.Pastukh I. M. (2006) Theory and Practice of Non-Hydrogen Nitriding in Glow Discharge. Kharkov. National Science Center, Kharkov Institute of Physics and Technology. 364 (in Russian).Ионная химико-термическая обработка сплавов / Б. Н. Арзамасов [и др.]. М.: Изд-во МГТУ имени Баумана, 1999. 400 с.Arzamasov B. N., Bratukhin A. G., Eliseev Yu. S., Panaioti T. A. (1999) Ionic Chemical-Thermal Treatment of Alloys. Moscow, Publishing House of Bauman Moscow State Technical University. 400 (in Russian).Теория и технология азотирования. / Ю. М. Лахтин [и др.]. М.: Металлургия, 1991. 320 с.Lakhtin Yu. M., Kogan Ya. D., Shpis G., Bemer Z. (1991) Theory and Technology of Nitriding. Moscow, Metallurgiya Publ. 320 (in Russian).Grun, R. Pulsed DC-Glow Discharge for PLasma Heat Treatment / R. Grun // Plasma Heat Treatment: International IFHT Seminar. Senlis France: PYC Edition, 1987. P. 417–423.Grun R. (1987) Pulsed DC–Glow Discharge for Plasma Heat Treatment. Plasma Heat Treatment, International IFHT Seminar. Senlis, France, PYC Edition, 417–423.Puls-Plasma Nitriding Units – www.nitrion.com.br.Puls-Plasma Nitriding Units. Available at: www.nitrion.com.br.Elektropuls Plasma–Nilrieren von Stahlen Mit Nidriger Anlablemperatur // Fachber Huttenprax Metallweitervеrarb. 1987. Vol. 25, No 12. P. 1227.Elektropuls Plasmanitrieren von Stahlen mit Nidriger Anlablemperatur. Fachber Huttenprax Metallweiterverarb, 1987, 25 (12), 1227 (in German).RUBIG Driving Success [Electronic resource]. Mode of access: https://www.rubig.com/.RUBIG Driving Success. Available at: https://www.rubig.com/Plasma Nitriding Equipment [Electronic resource] // Ionotech LTD. Mode of access: www.ionitech.net/ru/.Plasma Nitriding Equipment. Ionotech LTD. Available at: www.ionitech.net/ru/.Розанов, Л. Н. Вакуумная техника / Л. Н. Розанов. М.: Высш. шк., 2007. 320 с.Rozanov L. N. (2007) Vacuum Technique. Moscow, Vysshaya Shkola Publ. 320 (in Russian).Вакуумная техника / К. Е. Демихов [и др.]; под общ. ред. К. Е. Демихова, Ю. В. Панфилова. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2009. 590 с.Demikhov K. E., Panfilov Yu. V., Nikulin N. K., Avtonomova I. V. (2009) Vacuum Technique. Moscow, Mashinostroyenie Publ. 590 (in Russian).Азотирование в пульсирующей плазме [Электронный ресурс] / ELTROPULS. Режим доступа: http://eltropuls.ru/plasma_nitriding.Nitriding in Pulsing Plasma. ELTROPULS. Available at: http://eltropuls.ru/plasma_nitriding.Босяков, М. Н. Энергетические параметры процессов ионного азотирования на промышленном оборудовании / М. Н. Босяков, А. А. Козлов // Доклады БГУИР. 2013. Т. 73, № 3. С. 76–82.Bosyakov M. N., Kozlov A. A. (2013) Energetic Parameters of Ion Nitriding Processes in Industrial Equipment. Doklady BGUIR, 73 (3), 76–82 (in Russian).Босяков, М. Н. Выбор режима упрочняющей обработки на установках ионного азотирования промышленного типа / М. Н. Босяков, А. Н. Моисеенко // Современные методы и технологии создания и обработки материалов: материалы VIII МНТК. Минск: ФТИ НАН Беларуси, 2016. Кн. 2. С. 50–58.Bosyakov M. N., Moiseenko A. N. (2016) Choice of Hardening Treatment Mode for Industrial ion Nitriding Units. Sovremennye Metody i Tekhnologii Sozdaniya i Obrabotki Materialov: Materialy VIII Mezhdunar. Nauch.-Tekh. Konf. Kn. 2 [Modern Methods and Technologies for Development and Treatment of Materials. Proceedings of 8th International Scientific and Technical Conference. Book 2.] Minsk, Physical-Technical Institute of the National Academy of Sciences of Belarus, 50–58 (in Russian).Энгель, А. Физика и техника электрического разряда в газах / А. Энгель, М. Штенбек. Т. 2. ОНТИ-НКТП, 1936. 384с.Engel A., Shtenbek M. (1936) Physics and Technology of Electric Discharge in Gases. Vol. 2. Moscow, United Scientific and Technical Publishing House of People’s Commissariat of Heavy Industry. 384 (in Russian).Голубев, В. С. Тлеющий разряд повышенного давления / В. С. Голубев, С. В. Пашкин. М.: Наука, 1990. 335 с.Golubev V. S., Pashkin S. V. (1990) Glow Discharge of Increased Pressure. Moscow, Nauka Publ. 335 (in Russian).Параметры области катодного падения потенциала самостоятельного нормального тлеющего разряда в гелии при атмосферном давлении / В. И. Архипенко [и др.] // Физика плазмы. 2002. Т. 28, № 10. С. 930–938.Arkhipenko V. I., Zgirovskii S. M., Kirillov A. A., Simonchik L. V. (2002) Cathode Fall Parameters of a SelfSustained Normal Glow Discharge in AtmosphericPressure Helium. Plasma Physics Reports, 28 (10), 858–865. https://doi.org/10.1134/1.1513839/.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.