способ плазменной термической обработки изделий и устройство для его осуществления
Классы МПК: | C21D1/09 непосредственным действием электрической или волновой энергии; облучением частицами |
Автор(ы): | Лыков А.М., Матвеев Ю.И. |
Патентообладатель(и): | Лыков Алексей Михайлович, Матвеев Юрий Иванович |
Приоритеты: |
подача заявки:
1997-10-07 публикация патента:
10.11.1998 |
Изобретение относится к области плазменной термической обработки изделий сложной формы, преимущественно металлических. Сущность: в способе плазменной термической обработки изделий, включающем нагрев поверхности плазменной дугой, создаваемой анодом и катодом, направленной под углом к плоскости обработки, размещение анодного пятна на аноде и воздействие на электрическую дугу постоянным магнитным полем, нагрев поверхности осуществляют электрической дугой, создаваемой вращающимся охлаждаемым анодом и охлаждаемым катодом с анодным пятном, совершающим перемещение по аноду над поверхностью в прямом и обратном направлениях с амплитудой колебания не более 250 мм под воздействием одного или нескольких переменных магнитных полей, расположенных по ходу движения анодного пятна, создаваемых электромагнитами, плазменную дугу при этом отжимают от поверхности изделия постоянными магнитными полями на расстояние не менее 3 мм, анодное пятно размещают на аноде на расстоянии 1,0-25,0 мм от поверхности изделия, перемещаемого относительно дуги со скоростью 0,01-25,0 см/с с поддержанием тока плазменной дуги 50-600 А, прич м перемещение анодного пятна осуществляют с изменением вектора направления движения, а ось катода направляют под углом 15-180o к оси вращающегося анода, который заземляют, при этом обрабатываемое изделие также заземляют через регулируемое активное сопротивление и индуктивность, а сопло катодного узла соединяют с плюсом источника питания через активное сопротивление и контактор. Способ плазменной термической обработки реализован в устройстве для его осуществления. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 11 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11
Формула изобретения
1. Способ плазменной термической обработки изделий, включающий нагрев поверхности плазменной дугой, создаваемой анодом и катодом, направленной под углом к поверхности изделия с размещением анодного пятна на аноде и воздействие на дугу постоянным магнитным полем, отличающийся тем, что плазменную дугу создают вращающимся охлаждаемым анодом и охлаждаемым катодом, анодное пятно перемещают по аноду над поверхностью изделия возвратно-поступательно с амплитудой колебания не более 250 мм с изменением вектора направления движения под воздействием одного или нескольких переменных полей, расположенных по ходу движения анодного пятна, создаваемых с помощью блоков электромагнитной развертки, запитываемыми переменным током различной частоты и формы, плазменную дугу отжимают от поверхности под воздействием одного или нескольких постоянных магнитных полей на расстояние не менее 3 мм, анодное пятно размещают на аноде на расстоянии 1,0 - 25,0 мм от поверхности изделия, нагрев дугой осуществляют с одновременным отсосом газа из прианодной области, поступательным перемещением изделия относительно дуги со скоростью 0,01 - 25 см/с, и поддержанием тока на уровне 50 - 600 А, при этом ось катода направляют к оси анода под углом 15 - 180o. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что анод заземляют, при этом обрабатываемое изделие соединяют с "землей" через регулируемое активное сопротивление и индуктивность, а сопло катода соединяют с плюсом источника питания через активное сопротивление и контактор. 3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что электродное пятно располагают на внутренней поверхности полого цилиндрического электрода катода, который вращают магнитным полем и вихревым газовым потоком, при этом вращающийся анод соединен с минусом, а катод с плюсом источника питания. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что после закалки поверхности на мартенсит через 1,0 - 10 мин ее подвергают нагреву до температуры не выше 700oC при токе не более 300 А с обеспечением превращения всего или части мартенсита в бейнит или троостит, или сорбит. 5. Устройство для плазменной термической обработки поверхности изделий, содержащее соединенные с источником питания катодный и анодный узлы и установленный между ними блок перемещения плазменной дуги в виде постоянного магнита, отличающееся тем, что устройство снабжено рамой с закрепленными на ней с возможностью регулирования по высоте относительно поверхности изделий одним или несколькими блоками электромагнитной развертки с размещением друг относительно друга под углом не более 90o, дополнительными постоянными магнитами, кожухом с размещенным в нем вентилятором для отсоса газа из прианодной области, при этом блоки электромагнитной развертки размещены между катодным и анодным узлами, кожух с вентилятором размещен перед анодным узлом, катодный узел установлен под углом к поверхности изделия равном![способ плазменной термической обработки изделий и устройство для его осуществления, патент № 2121514](/images/patents/350/2121004/177.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области плазменной термической обработки изделий, преимущественно металлических, при которой осуществляется поверхностная закалка без образования трещин с обеспечением высокой твердости и улучшением других физико-механических характеристик. Известно устройство для плазменной обработки изделий, содержащее катод и перемещаемый анод, который выполнен в виде двух параллельно расположенных электрически связанных цилиндров, установленных с возможностью одновременного вращения вокруг своих осей в противоположные стороны, причем расстояние между цилиндрами не превышает токопроводящего диаметра дугового шнура. Устройство используют в высокотемпературных процессах, например, плазмохимических и при плазменной обработке материалов. (См. авт. св. СССР N 974613, кл. H 05 B 7/18, H 05 H 1/24, 1978). К недостаткам указанного устройства следует отнести то, что оно неудобно в эксплуатации и обладает низкой надежностью и снижает эффективность подводимой к плазмотрону электрической энергии. Известно также устройство для высокотемпературной обработки поверхности материала, в котором осуществляется более эффективный перенос тепла к обрабатываемой поверхности изделия непосредственным воздействием на нее электрической дуги. Электрическая дуга зажигается между катодом и находящимся над обрабатываемой поверхностью анодом, охлаждаемым водой, и горит в окружающей атмосфере, например в воздухе, воздействуя непосредственно на изделие. Катод обдувается защитным газом, например азотом. При обработке ряда изделий из диэлектрических материалов, например при оплавлении керамики, образуется токопроводящая пленка расплава и электрическую дугу специально направляют на изделие, прижимая ее к изделию, чтобы осуществить ее привязку к поверхности расплава с максимальным и эффективным ее нагревом. В этом случае имеет место взаимодействие электрической дуги анодного пятна непосредственно с поверхностью изделия. (См. Патент США N 3584184, МКИ B 23 K 9/00, НКИ 219/121, 219/137, 1968). Недостатком указанного устройства и способа, в нем реализованного, является то, что в нем имеет место неравномерная подача тепловых потоков на изделие и соответственно происходит неравномерная обработка поверхности изделия по ширине вследствие больших градиентов температуры по радиусу плазменного шнура. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ плазменной термической обработки изделий, заключающийся в следующем. Способ плазменной термической обработки изделий включает нагрев поверхности плазменной дугой, создаваемой анодом и катодом, направленной под углом к плоскости обработки, размещение анодного пятна на аноде и воздействие на электрическую дугу постоянным магнитным полем. Устройство для плазменной термической обработки изделий содержит соединенные с источником питания катодный и анодный узлы и установленный между ними блок перемещения электрической дуги относительно поверхности изделия в виде постоянного магнита. (См. Авторское свидетельство N 1539215, кл. C 21 D 1/09, 1988). К недостаткам указанного способа плазменной термической обработки изделий и устройства для его осуществления следует отнести то, что при их эксплуатации невозможно производить термообработку изделий, преимущественно металлических, без оплавления их поверхности вследствие непосредственного взаимодействия электрической дуги с металлом, что влечет за собой, как правило, последующую механическую обработку поверхности изделий, а также затрудняет возможность получения в закаленном поверхностном слое на глубину 1 -2 мм структуры, состоящей из сорбита и мартенсита, без образования трещин из-за интенсивного нагрева металлического изделия и интенсивного его охлаждения (закалки), а также плавного снижения температуры при остывании (отпуск). В основу настоящего изобретения поставлена задача проведения качественного процесса термообработки без прямого взаимодействия электрической дуги с поверхностью изделия, преимущественно металлического, и получения требуемых структур приповерхностного слоя без трещин, а также улучшения других физико-механических свойств обрабатываемого изделия. Сущность изобретения состоит в способе плазменной термической обработки изделий и устройстве для его осуществления. В способе плазменной термической обработки изделий, включающем нагрев поверхности изделий плазменной дугой, создаваемой анодом и катодом, направленной под углом к плоскости обработки, размещение анодного пятна на аноде и воздействие на электрическую дугу постоянным магнитным полем, нагрев поверхности осуществляют электрической дугой, создаваемой вращающимся охлаждаемым анодом и охлаждаемым катодом с анодным пятном, совершающим перемещение по аноду над поверхностью в прямом и обратном направлениях с амплитудой колебания не более 250 мм под воздействием одного или нескольких переменных магнитных полей, расположенных по ходу движения анодного пятна, создаваемых электромагнитами, запитываемыми переменным током различной частоты и формы, плазменную дугу отжимают от поверхности одним или несколькими постоянными магнитными полями на расстояние не менее 3 мм, анодное пятно размещают на аноде на расстоянии 1,0 - 25,0 мм от поверхности изделия, а нагрев дугой осуществляют с одновременным отсосом газа из прианодной области с обеспечением поступательного перемещения изделия относительно дуги со скоростью 0,01-25,0 см/с с поддержанием тока плазменной дуги на уровне 50-600 А, при этом перемещение анодного пятна осуществляют с изменением вектора направления движения, а ось катода направляют под углом 15-180o к оси вращающегося анода, который заземляют, причем обрабатываемое изделие соединяют с "землей" через регулируемое активное сопротивление и индуктивность, а сопло катодного узла соединяют с плюсом источника питания через активное сопротивление и контактор. Причем электродное пятно по возможности располагают на внутренней поверхности полого цилиндрического электрода катода, который вращают магнитным полем и вихревым газовым потоком, при этом вращающийся анод соединяют с минусом, а катод с плюсом источника питания. Кроме того, анодное пятно располагают на поверхности изделия и перемещают его возвратно-поступательно в направлении поступательного перемещения изделия с амплитудой не более 250 мм переменным магнитным полем. При этом производят полиморфное превращение всего или части мартенсита закаленного слоя в бейнит, тростит, сорбит, для чего нагревают упрочненный слой до температуры не выше 700oC и не раньше, чем через 1,0-10,0 мин после упрочнения-закалки при токах не более 300 А. Новое устройство для плазменной термической обработки изделий, содержащее соединенные с источником питания катодный и анодный узлы и установленный между ними блок перемещения электрической дуги относительно поверхности изделия в виде постоянного магнита, снабжено одним или несколькими блоками электромагнитной развертки в виде соленоидов переменного тока различной частоты и формы с сердечниками с углом между осями соленоидов не более 90o или магнитопроводами блока электромагнитной развертки, установленными таким образом, что угол между векторами напряженности переменного магнитного поля, обеспечивающего сканирование электрической дуги над обрабатываемой поверхностью, составляет не более 90o, а также дополнительно снабжено установленными между катодным и анодным узлами блоками перемещения электрической дуги относительно обрабатываемой поверхности, выполненными в виде двух-четырех постоянных магнитов, и размещенным перед анодным узлом вентилятором для отсоса газа из прианодной области, установленным в кожухе, и рамой, на которой закреплены с возможностью регулирования по высоте относительно поверхности изделия блок электромагнитной развертки, катодный и анодный узлы и кожух с вентилятором, катодный узел установлен под углом к поверхности изделия, равным![способ плазменной термической обработки изделий и устройство для его осуществления, патент № 2121514](/images/patents/350/2121004/177.gif)
D/d = 1,1 - 100,0
где D - минимальный диаметр вращающегося анодного узла;
d - внутренний диаметр полого цилиндра катодного узла. Причем вращающийся анодный узел выполнен в виде тела вращения, поверхность которого расположена от поверхности обрабатываемого изделия не далее чем на 25 мм. Кроме того, устройство снабжено станиной, элементами для установки и вращения обрабатываемого изделия, а рама закреплена к станине с возможностью углового, вертикального, горизонтального перемещения относительно обрабатываемого изделия и выполнена в виде Г-образной формы или с возможностью поступательного перемещения обрабатываемого изделия относительно рамы, к которой закреплено оборудование, необходимое для термической обработки поверхности изделия. При этом устройство снабжено кареткой, к которой закреплена рама с возможностью углового и вертикального перемещения относительно обрабатываемого изделия, станина выполнена П-образной формы, на верхней части которой установлена каретка с возможностью горизонтального перемещения относительно обрабатываемого изделия, а к раме закреплено оборудование, необходимое для термической обработки поверхности изделия. Представленная выше совокупность существенных признаков направлена на достижение технического результата и находится в причинно-следственной связи с ним, так как позволяет: проводить качественный процесс термической обработки изделий без прямого взаимодействия электрической дуги с поверхностью изделия, преимущественно металлического любой формы; получить требуемые структуры приповерхностного слоя изделий без трещин; повысить физико-механические свойства изделий. При этом единство изобретения сохранено. Кроме того, изобретение является промышленно применимым, так как может быть использовано при термической обработке изделий, преимущественно металлических, в том числе сложной формы. Таким образом, можно сделать вывод, что заявленное техническое решение соответствует условиям патентоспособности изобретения. На фиг. 1 изображен общий вид устройства для плазменной термической обработки изделий; на фиг. 2 - вид по стрелке "А" на фиг. 1; на фиг. 3 - расположение блоков электромагнитной развертки при плазменной термической обработке гребня железнодорожной колесной пары; на фиг. 4 - вид по стрелке "Б" на фиг. 3; на фиг. 5 изображен узел "А" фиг. 4; на фиг. 6 - расположение магнитопроводов электромагнитной развертки; на фиг. 7 - вид по стрелке "В" на фиг. 6; на фиг. 8 - схема обработки анодным пятном труднодоступной выемки при термической обработке изделия; на фиг. 9 - вид по стрелке "Г" на фиг. 8; на фиг. 10 - схема взаимного расположения элементов конструкции при плазменной термической обработке изделия типа тела вращения, например железнодорожной колесной пары; на фиг. 11 - схема плазменной термической обработки протяженного изделия, например железнодорожного рельса. Способ плазменной термической обработки изделий (преимущественно металлических) с различной формой поверхностей сложной конфигурации осуществляют следующим образом. Нагрев изделия производят за счет конвективного и лучистого потоков, выделяемых плазменной дугой в прианодной области. При этом в прикатодной области дуга зафиксирована, а в прианодной области совершает перемещения таким образом, что анодное пятно движется по траектории, сходной с профилем обрабатываемой поверхности изделия с изменением вектора направления своего движения. Такое движение возможно путем последовательного воздействия магнитных полей, создаваемых блоками электромагнитной развертки с различной пространственной ориентацией. Эти магнитные поля последовательно воздействуют на плазменную дугу, заставляя ее перемещаться по сложной траектории в прямом и обратном направлениях, например при термической обработке железнодорожного рельса или гребня железнодорожного колеса, образуя при этом равномерный термоупрочненный слой по поверхности изделий сложной формы. Для предотвращения прижатия к поверхности изделия и шунтирования плазменной дуги через обрабатываемое изделие, сопровождающегося его оплавлением, на плазменную дугу воздействуют постоянными магнитными полями на протяжении всего движения, отжимая ее от поверхности изделия на расстояние не менее 3,0 мм. При этом движение анодного пятна производят на расстоянии 1,0-25,0 мм от обрабатываемой поверхности, а скорость перемещения обрабатываемой поверхности изделия относительно дуги поддерживают на уровне 0,01-25,0 см/с. Ток плазменной дуги при термической обработке поддерживается на уровне 50,0-600,0 A. При термообработке изделий различной конфигурации, например гребня железнодорожного колеса, имеет место близкое расположение вращающегося анода и катодного узла при угле
![способ плазменной термической обработки изделий и устройство для его осуществления, патент № 2121514](/images/patents/350/2121001/946.gif)
![способ плазменной термической обработки изделий и устройство для его осуществления, патент № 2121514](/images/patents/350/2121093/176.gif)
![способ плазменной термической обработки изделий и устройство для его осуществления, патент № 2121514](/images/patents/350/2121001/946.gif)
![способ плазменной термической обработки изделий и устройство для его осуществления, патент № 2121514](/images/patents/350/2121093/176.gif)
![способ плазменной термической обработки изделий и устройство для его осуществления, патент № 2121514](/images/patents/350/2121009/947.gif)
![способ плазменной термической обработки изделий и устройство для его осуществления, патент № 2121514](/images/patents/350/2121019/945.gif)
![способ плазменной термической обработки изделий и устройство для его осуществления, патент № 2121514](/images/patents/350/2121009/947.gif)
![способ плазменной термической обработки изделий и устройство для его осуществления, патент № 2121514](/images/patents/350/2121019/945.gif)
![способ плазменной термической обработки изделий и устройство для его осуществления, патент № 2121514](/images/patents/350/2121009/947.gif)
Класс C21D1/09 непосредственным действием электрической или волновой энергии; облучением частицами