Способ плазменной термической обработки поверхностного слоя изделий

Авторы патента:

C21D1/09 - Изменение физической структуры черных металлов; устройства общего назначения для термообработки черных или цветных металлов или сплавов; придание ковкости металлам путем обезуглероживания, отпуска или других видов обработки (цементация диффузионными способами C23C; поверхностная обработка металлов, включающая по крайней мере один процесс, предусмотренный в классе C23, и по крайней мере другой процесс, охватываемый этим подклассом, C23F 17/00; однонаправленное отвердевание эвтектики или однонаправленное разделение эвтектик C30B)

Владельцы патента RU 2560493:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" (RU)

Изобретение относится к области упрочняющей термической обработки поверхностного слоя изделий. Способ плазменной термической обработки поверхностного слоя изделий включает нагрев рабочей поверхности изделия аргоновой плазменной дугой прямого действия на токе обратной полярности. Нагрев рабочей поверхности изделия осуществляют в камере, закрывающей плазменную дугу и зону обработки рабочей поверхности изделия от контакта с атмосферой, с обеспечением расширения зоны сканирования катодных пятен по поверхности изделия. Технический результат заключается в упрощении способа при обеспечении повышения качества обрабатываемого поверхностного слоя изделий. 1 пр., 3 ил.

Изобретение относится к области упрочняющей термической обработки поверхностного слоя изделий.

Известны способы плазменной термической обработки поверхностного слоя изделий (патенты РФ №2064511 от 27.07.1996 г., №2069131 от 20.11.1996 г., №2343211 от 10.01.2009 г.), при которых плазменную обработку ведут плазменной струей (дугой косвенного действия).

Признаки известных способов, совпадающие с признаками заявленного изобретения, заключаются в том, что поверхностную термическую обработку ведут низкотемпературной плазмой.

Причина, препятствующая получению в известных способах технического результата, который обеспечивается изобретением, заключается в низкой эффективности нагрева поверхности изделия. В процессах, использующих плазменную струю (плазменную дугу косвенного действия), теплопередача в изделие при одинаковой мощности в 1,3-2,0 раза меньше, чем при обработке плазменной дуги прямого действия. Для эффективной термообработки требуются плазмотроны высокой мощности (40 кВт и более), что приводит к увеличению габаритов и массы. Источники питания таких плазмотронов должны иметь напряжение холостого хода не ниже 200 В.

Известны технические решения (см., например, патенты на полезную модель РФ №78193 от 20.11.2008 г., №95665 от 10.07.2010 г.), при которых плазменную поверхностную термообработку изделий ведут путем перемещения по поверхности изделия одной или двух плазменных дуг прямого действия током прямой полярности (изделие является анодом). В качестве плазмообразующего газа используется аргон. Для увеличения ширины зоны термообработки используют принудительное сканирование дуги по поверхности изделия воздействием на нее внешним электромагнитным полем. Для питания плазменной дуги может использоваться источник питания с напряжением холостого хода 80-90 В. При этом обеспечивается высокая плотность теплового потока и скорость нагрева поверхности изделия.

Признаки известных способов, совпадающие с признаками заявленного изобретения, заключаются в том, что поверхностную термическую обработку ведут плазменной дугой прямого действия; в качестве плазмообразующего газа используют аргон.

Причина, препятствующая получению в известных способах технического результата, который обеспечивается изобретением, заключается в усложнении технической реализации способа плазменной поверхностной термообработки. Усложнение заключается в использовании более чем одной плазменной дуги и принудительном сканировании дуги по обрабатываемой поверхности. Это требует использования сканирующего устройства дуги, включающего генератор, электромагнитную катушку и ферромагнитные губки, а также систему управления сканирующим устройством. Кроме того, требуются дополнительные пульты управления и источники питания для работы второго плазмотрона или второй дуги.

Известен способ (патент РФ №2430166 от 27.09.2011 г.), при котором поверхностную термообработку ведут низкотемпературной плазменной дугой прямого действия током прямой полярности (изделие является анодом). В качестве плазмообразующего газа используют аргон. При этом используется один плазмотрон и одна плазменная дуга. Для увеличения ширины зоны термической обработки и равномерности нагрева используют магнитную осцилляцию дуги с амплитудой сканирования 20-45 мм.

При этом обеспечивается упрощение процесса термообработки.

Признаки известного способа, совпадающие с признаками заявленного изобретения, заключаются в том, что поверхностную термическую обработку ведут одной плазменной дугой прямого действия; в качестве плазмообразующего газа используют аргон.

Причина, препятствующая получению в известном способе технического результата, который обеспечивается изобретением, заключается в усложнении технической реализации способа плазменной поверхностной термообработки. Усложнение заключается в использовании магнитной осцилляции дуги внешним электромагнитным полем, что требует использования генератора переменного магнитного поля, снижает технологические возможности процесса за счет усложнения конструкции плазмотрона, увеличения его габаритов и массы.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ плазменной термической обработки поверхностного слоя изделий, включающий нагрев рабочей поверхности изделия аргоновой плазменной дугой прямого действия током обратной полярности (патент РФ №2313581 от 27.12.2007). Данный способ принят за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявленного изобретения, заключаются в том, что поверхностную термическую обработку ведут одной плазменной дугой прямого действия на токе обратной полярности; в качестве плазмообразующего газа используют аргон.

Причина, препятствующая получению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, заключается в ограничении площади сканирования катодных пятен, что снижает ширину зоны обработки и качество защиты зоны обработки.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в упрощении технической реализации способа плазменной поверхностной термообработки при обеспечении производительности процесса и качества обработанной поверхности.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе плазменной термической обработки поверхностного слоя изделий, включающем нагрев рабочей поверхности изделия аргоновой плазменной дугой прямого действия на токе обратной полярности, согласно изобретению нагрев рабочей поверхности изделия осуществляют в камере, закрывающей плазменную дугу и зону обработки рабочей поверхности изделия от контакта с атмосферой, с обеспечением расширения зоны сканирования катодных пятен по поверхности изделия.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - нагрев рабочей поверхности изделия осуществляют в камере, закрывающей плазменную дугу и зону обработки рабочей поверхности изделия от контакта с атмосферой.

Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в том, что поверхностную термообработку ведут закрытой плазменной дугой прямого действия на токе обратной полярности в среде инертного газа. При этом изделие является катодом. Плазменная дуга контактирует с поверхностью изделия (поверхность является «холодным» катодом) в отдельных катодных пятнах. Катодные пятна на поверхности изделия совершают быстрые хаотические перемещения, обеспечивая естественное сканирование по поверхности изделия, в зоне защиты инертным газом. При этом плотность энергии в катодных пятнах достигает 10⁶-10⁷ Вт/см², что создает дополнительные условия для быстрого, равномерного нагрева поверхностного слоя изделия. При наличии камеры, закрывающей плазменную дугу и зону обработки от контакта с атмосферой, за счет заполнения ее аргоном, значительно расширяется ширина сканирования катодных пятен по поверхности изделия. Кроме того, исключается насыщение поверхности изделия водородом и ее окисление. Улучшаются экологические условия за счет отсутствия излучения плазменной дуги и снижения образования озона.

На фиг. 1 показана функциональная схема способа плазменной поверхностной термообработки закрытой плазменной дугой прямого действия на токе обратной полярности.

На фиг. 2 - внешний вид зоны термообработки.

На фиг. 3 - микроструктура термообработанного слоя на стали 40X13.

Предлагаемый способ осуществляется в следующей последовательности.

Источник питания плазменной дуги ИП подключается полюсом «+» к электроду плазмотрона 1, а полюсом «-» к изделию 2, в плазмообразующее сопло 3 подается плазмообразующий газ аргон, который заполняет камеру 4, закрывающую плазменную дугу и зону обработки. При необходимости, дополнительно аргон может подаваться в камеру 4. Включается плазменная дуга и продольное перемещение относительно изделия, при этом происходит самопроизвольное сканирование катодных пятен по поверхности изделия в пределах площади, закрытой камерой 4. Поверхность изделия быстро нагревается до температуры, необходимой для заданной термообработки, и быстро охлаждается при выходе из зоны воздействия плазменной дуги за счет теплоотвода в изделие.

Пример конкретного выполнения

Выполнена закалка поверхности изделия из стали 40X13. Ток плазменной дуги использовался в пределах 160-200 А. Линейная скорость перемещения была в пределах 1-3 см/сек. Диаметр камеры - 40 мм. При этом ширина сканирования катодных пятен по поверхности изделия и термообработки составляла 30-40 мм (см. фиг. 2). Термообработка производилась без плавления поверхностного слоя изделия. Структура в термообработанном слое представляет мелкозернистый мартенсит (см. фиг. 3). Твердость на поверхности составила 54-56, на глубине 1,5 мм 52-54 HRC.

Преимущество изобретения состоит в том, что оно обеспечивает повышенную ширину (до 35-45 мм) зоны упрочнения без принудительного сканирования дуги, высокое качество поверхности за счет отсутствия взаимодействия с воздухом нагретого металла, равномерное распределение характеристик упрочненного слоя по ширине и глубине, оптимальный термический цикл, формирующий необходимую структуру металла. Кроме того, исключается возможность насыщения поверхностного слоя водородом и окисления. При этом упрощается оборудование, снижаются затраты и повышается производительность обработки.

Способ плазменной термической обработки поверхностного слоя изделий, включающий нагрев рабочей поверхности изделия аргоновой плазменной дугой прямого действия на токе обратной полярности, отличающийся тем, что нагрев рабочей поверхности изделия осуществляют в камере, закрывающей плазменную дугу и зону обработки рабочей поверхности изделия от контакта с атмосферой, с обеспечением расширения зоны сканирования катодных пятен по поверхности изделия.

Изобретение относится к технологии термической обработки. Для повышения хладостойкости и снижения коробления изделия осуществляют его восстановительный отпуск при температуре 450±10°С с выдержкой от 3 до 7 часов с последующим охлаждением на воздухе, при этом нагрев изделия в диапазоне температур от 100 до 450°С ведут со скоростью до 50°С/час.2 пр., 2 ил. .

Способ термической обработки магнитотвердых сплавов системы железо-хром-кобальт с содержанием кобальта 8 вес.% // 2557852

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термической обработке магнитотвердых сплавов системы железо-хром-кобальт, используемых при производстве постоянных магнитов.

Способ упрочняющей термической обработки углеродистых инструментальных сталей // 2557841

Изобретение относится к термической обработке углеродистых инструментальных сталей. Способ термической обработки включает закалку сталей с температуры 760-780°C и последующее воздействие на них при комнатной температуре пульсирующего дозвукового воздушного потока частотой 1130-2100 Гц и звуковым давлением 120-140 дБ.

Приспособление нагревательного устройства, нагревательное устройство, устройство для термообработки и способ нагрева // 2557439

Изобретение относится к оборудованию для термообработки кольцеобразной заготовки. Приспособление для поддержки кольцеобразной заготовки для транспортирования и нагрева ее нагревательным устройством содержит центральный узел, вращающийся приводной механизм, расположенный в центральном узле, и опору для заготовки.

Способ восстановления физико-механических свойств внутрикорпусных устройств водо-водяного энергетического реактора ввэр-1000 // 2557386

Изобретение относится к восстановительной термической обработке узлов водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР) и направлено на повышение ресурса и обеспечение безопасной эксплуатации реакторов ВВЭР-1000.

Способ термообработки металлического полосового материала и полосовой материал, полученный таким образом // 2557032

Изобретение относится к способу термообработки металлического полосового материала для получения полосового материала, имеющего механические свойства, которые различаются по ширине полосы.

Способ поверхностного закалочного упрочнения режуще-деформирующим инструментом // 2556897

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам поверхностного упрочнения с получением закалочных структур. Для повышения износостойкости деталей машин из закаливаемых металлов, преимущественно из железоуглеродистых сплавов, и создания на поверхности детали полностью или частично закаленного поверхностного слоя с однородными свойствами по его толщине инструментом в виде резца, имеющим режущую и деформирующую кромки послойно подрезают поверхностный слой детали с сохранением его механической связи с деталью по своей узкой стороне, при этом пластически деформируют подрезанные слои рабочими поверхностями инструмента, после чего подрезанные слои укладывают на деталь деформирующей кромкой инструмента.

Способ определения термической совместимости различных конструкционных сталей в плакированном изделии энергетического оборудования // 2556801

Изобретение относится к способам установления возможности термического совмещения различных конструкционных сталей в плакированных изделиях и может найти применение на предприятиях энергетической отрасли, в проектных и научно-исследовательских организациях при проектировании и изготовлении энергетического оборудования.

Способ термообработки рабочей поверхности головки рельса // 2556257

Изобретение относится к способам термообработки рабочей поверхности головки рельса для упрочнения рабочих поверхностей путем поверхностной электроконтактной термообработки.

Способ упрочнения резьбы // 2554244

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к технологии упрочнения резьбовых преимущественно длинномерных изделий, и может быть использовано для упрочнения метрической резьбы в изделиях, работающих при повышенных нагрузках.

Способ создания комбинированного металлокерамического диффузионного поверхностного слоя при производстве деталей и изделий, обладающих уникальными износными и эксплуатационными свойствами полученные методом термохимического синтеза // 2560800

Изобретение относится к области термической обработки стальных деталей. Для обеспечения стойкости, надежности деталей и получения заданных механических свойств осуществляют изотермическую закалку деталей в закалочной среде на водной основе, содержащей частицы размолотых фракций солей минералов с одновременным образованием на поверхности стальной детали керамического диффузионного слоя путем адиабатного изменения кристаллической решетки и структуры стали за счет реакции замещения атомов железа атомами магния и упомянутыми частицами минералов, обладающих способностью диффундировать в поверхностный слой стальной детали. Используемый раствор не агрессивен и не представляет опасности для человека и окружающей среды. 2 з.п. ф-лы.

Способ термообработки изделий из конструкционных сталей // 2561611

Изобретение относится к области обработки черных металлов, в частности к повышению механических свойств конструкционных сталей. Для повышения значений показателей ударной вязкости и пластичности без снижения показателей прочности изделие подвергают закалке и высокому отпуску, а затем осуществляют последующую обработку изделия путем воздействия на него в течение 35 мин пульсирующим газовым потоком со скоростью от 25 до 30 м/с, частотой колебаний от 600 до 1000 Гц и переменным звуковым давлением от 80 до 90 дБ. 1 ил.

Способ закалки стальных деталей // 2562598

Изобретение относится к области металлургии, в частности к вакуумной термической обработке деталей, и может найти применение в машиностроении общего назначения, приборостроении, самолетостроении и космической технике. Для улучшения качества обрабатываемых деталей при сохранении экологической чистоты процесса, повышения уровня эксплуатационных свойств наиболее нагруженных и дорогостоящих деталей космических аппаратов осуществляют нагрев деталей до температуры закалки 1020÷1060°C в однокамерной вакуумной электропечи, затем их выдерживают при рабочем вакууме 7,5×10-5÷3,75×10-5 мм рт.ст. и быстро охлаждают в печи при подаче чистого газообразного азота под давлением 1100÷6000 бар.

Способ упрочнения поверхности стальных изделий // 2563572

Изобретение относится к технологии упрочнения поверхности стали и может быть использовано при ремонте сельскохозяйственной техники. Способ упрочнения поверхности стальных изделий включает цементацию поверхностного слоя стального изделия с использованием плазмы дугового разряда обратной полярности между электродом из углеродсодержащего материала и упрочняемой поверхностью стального изделия с перемещением электрода вдоль упрочняемой поверхности. Цементацию поверхностного слоя ведут пульсирующей дугой, для чего электроду из углеродсодержащего материала сообщают колебательные движения с частотой колебаний 5-20 Гц, при этом на каждом колебании электрод из углеродсодержащего материала вводят в контакт с упрочняемой поверхностью с продолжительностью контакта 0,02-0,05 с. Предлагаемый способ упрочнения обеспечивает глубину упрочнения слоя 1-3 мм и твердость HRC 55-60. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ термической обработки изделий из комплексно-легированной стали // 2564196

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу обработки малоуглеродистой, комплексно-легированной стали, и может быть использовано для упрочнения труб нефтяного сортамента, например бурильных. Для повышения уровня прочностных свойств в диапазоне групп прочности Д, Е, Л, М, Р по отечественным нормативным документам и/или E, X, G, S по международному стандарту API Spec 5DP/ISO 11961, увеличения производительности процесса, исключения коробления и трещинообразования при охлаждении водой при изготовлении изделий, при термической обработке проводят нагрев под аустенитизацию до температуры Ас3-(Ас3+50)°C, охлаждение водой до температуры не более 280°C по длине трубы, включая высаженные концы, и нагрев под отпуск до температуры не более (Ас1-15)°C.1 табл.

Способ упрочнения поверхности режущего инструмента из твердых сплавов на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой // 2564645

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к способам радиационного упрочнения поверхностей изделий из твердых сплавов, в частности режущего инструмента из твердых сплавов на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой. Способ упрочнения поверхности режущего инструмента из твердых сплавов на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой включает воздействие на поверхность инструмента потоком электронов. Обеспечивают получение поверхностью инструмента заряда 0,1- 0,8 мK/см2, при этом на поверхность инструмента воздействуют потоком электронов с энергией электронов 0,5-1,5 МэВ в течение не менее 10 с. Повышается износостойкость инструмента и срок его службы. 2 табл.

Способ изготовления лезвий рабочих органов почвообрабатывающих машин // 2564767

Изобретение относится к области сельскохозяйственного машиностроения и может быть использовано при подготовке к работе лемехов плугов, лапок культиватора и других рабочих органов почвообрабатывающих машин. Для повышения износостойкости рабочих органов почвообрабатывающих машин лезвия рабочих органов намагничивают катушкой постоянного тока намагничивающего аппарата при соотношении силы тока и количества витков таким образом, что произведение I·W=1000 A-витков. 3 ил.

Способ акустической обработки бандажа и колесного центра при сборке колесной пары // 2565446

Изобретение относится к железнодорожному транспорту. Способ включает расточку бандажа, нагрев бандажа и установку бандажа на колесный центр. После или во время установки бандажа на колесный центр осуществляют акустическую обработку (озвучивание) бандажа и/или колесного центра. Техническая задача: повышение надежности крепления бандажа на колесном центре. 8 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Способ упрочнения разделительного штампа // 2566224

Изобретение относится к машиностроению, в частности к области термической обработки инструмента. Способ упрочнения разделительного штампа включает лазерную закалку боковых рабочих поверхностей путем оплавления припусков за один проход при перемещении луча лазера по стыку припусков и последующий лазерный отпуск. После лазерной закалки выполняют обработку холодом до температуры окончания мартенситного превращения, а лазерный отпуск выполняют с помощью непрерывного излучения многоканального CO2 лазера на режимах, обеспечивающих нагрев стали в зоне закалки в интервале температур Ac1÷560°C, где Ac1 - критическая температура, при которой в стали начинает формироваться аустенит: мощность лазерного излучения P при выполнении лазерного отпуска в 4÷5 раз меньше, чем при выполнении лазерной закалки, скорость сканирования луча ν и диаметр пятна излучения d на обрабатываемой поверхности для выполнения лазерной закалки и лазерного отпуска одинаковы. 2 ил.

Термическая обработка мартенситной нержавеющей стали после переплавки под слоем шлака // 2567409

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения выносливости мартенситной нержавеющей стали проводят электрошлаковый переплав, затем охлаждают полученный слиток и осуществляют по меньшей мере один аустенитный термический цикл, состоящий в нагреве слитка выше температуры аустенизации с последующей стадией охлаждения. Во время охлаждения, перед тем, как минимальная температура слитка будет ниже температуры Ms, слиток выдерживают выше температуры Ас3 до начала выполнения последующего аустенитного цикла или выдерживают при температуре выдержки, входящей в пределы «носа» феррито-перлитного превращения, в течение времени выдержки, которое является более длительным, чем период, достаточный для максимально возможного преобразования аустенита в феррито-перлитную структуру в слитке при температуре выдержки, причем слиток выдерживают при температуре выдержки сразу после достижения температуры самой холодной точки слитка температуры выдержки, затем выполняют последний аустенитный термический цикл, включающий нагрев слитка выше Ас3 , за которым следует завершающая стадия охлаждения, причем слиток выдерживают при температуре, входящей в пределы «носа» феррито-перлитного превращения, как указано выше, при этом после завершающего охлаждения слиток не подвергают обработке в аустенитном термическом цикле выше. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.