Способ плазменной обработки металлических изделий

Авторы патента:

C23C4/137 - Способы покрытия путем распыления материала в расплавленном состоянии, например пламенное, плазменное или дуговое напыление (металлизаторы B05B; производство сплавов, содержащих волокна или нити термическим распылением металла C22C 47/16; плазмотроны H05H)

C23C4/08 - содержащие только металлы

Владельцы патента RU 2754915:

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

Изобретение относится способу плазменной химико-термической обработки поверхности металлического изделия. Выполняют предварительный нагрев и очистку поверхности металлического изделия посредством обработки плазменной дугой прямого действия обратной полярности тока, горящей между электродом-анодом второго плазмотрона и металлическим изделием-катодом. Проводят осаждение покрытия с насыщением поверхностного слоя изделия продуктами эрозии материала плазмообразующего сопла-катода первого плазмотрона путем обработки плазменной струей, образованной посредством плазменной дуги обратной полярности тока, горящей между электродом-анодом и плазмообразующим соплом-катодом упомянутого первого плазмотрона. Работу указанных первого и второго плазмотронов обеспечивают от отдельных источников питания. Осуществляется повышение эксплуатационных характеристик рабочих поверхностей изделий, а именно окалиностойкости, жаростойкости, твердости и коррозионной стойкости за счет улучшения адгезии переносимого плазменной дугой материала катода с поверхностью изделия. 1 ил., 1 пр.

Изобретение относится к области поверхностной термической обработки, а именно плазменной термической и химико-термической обработки поверхностного слоя металлических изделий.

Известны способы плазменной термической обработки поверхностного слоя деталей, при которых (патент РФ №2064511 опубл. 27.07. 1996 г., №2069131, опубл. 20.11. 1996 г., №2343211 опубл. 10.01.2009 г.) плазменную обработку ведут плазменной струей (дугой косвенного действия), горящей между электродом-катодом плазмотрона и плазмообразующим соплом - анодом (прямая полярность тока). При этом обеспечивается технологическая гибкость процесса поверхностной термической обработки.

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

Причина, препятствующая получению в известных способах технического результата, который обеспечивается заявляемым изобретением, заключается в том, что плазменная струя прямой полярности тока горит между электродом - катодом плазмотрона и плазмообразующим соплом-анодом. Материал катода обладает высокими эмиссионными свойствами, что сводит к минимуму эрозию катода. Это приводит к тому, что отсутствует повышение качества поверхностной обработки металлов (окалиностойкость, жаростойкость, твердость, коррозионная стойкость и др.) путем осаждения и насыщения поверхностного слоя изделия материалом катода (продуктами эрозии катода).

Известны технические решения (см. например, патент РФ №2430166 опубл. 27.09. 2011 г., патенты на полезную модель РФ №78193 опубл. 20.11.2008 г., №95665 опубл. 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). При этом обеспечивается высокая плотность теплового потока и скорость нагрева поверхности изделия, что повышает производительность и качество поверхностной термообработки.

Признаки известных способов, совпадающие с признаками заявленного изобретения, заключаются в том, что для поверхностной термической обработки используют плазменную дугу прямого действия.

Причина, препятствующая получению в известных способах технического результата, который обеспечивается заявляемым изобретением, заключается в том, что для обработки используется плазменная дуга прямого действия прямой полярности тока, которая горит между электродом-катодом плазмотрона и изделием - анодом. Это приводит к тому, что отсутствует повышение качества поверхностной обработки металлов (окалиностойкость, жаростойкость, твердость, коррозионная стойкость и др.) путем осаждения и насыщения поверхностного слоя изделия материалом катода.

Известен способ плазменной обработки (см., например, патент на изобретение РФ №2560493 опубл. 20.08.15), при котором плазменную обработку поверхности металла с целью повышения эксплуатационного ресурса изделий осуществляют плазменной дугой прямого действия обратной полярности тока. Обработка током обратной полярности обеспечивает равномерное распределение характеристик упрочненного слоя по ширине и глубине.

Признаки известного способа, совпадающие с признаками заявленного изобретения, заключаются в том, что для поверхностной обработки используют плазменную дугу прямого действия обратной полярности тока.

Причина, препятствующая получению в известном способе технического результата, который обеспечивается заявляемым изобретением, заключается в том, что для обработки используется плазменная дуга прямого действия и изделием-катодом. Это приводит к тому, что отсутствует повышение качества обратной полярности тока, которая горит между электродом-анодом плазмотрона поверхностной обработки металлов (окалиностойкость, жаростойкость, твердость, коррозионная стойкость и др.) путем осаждения и насыщения поверхностного слоя изделия материалом катода.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ плазменной термической обработки поверхностного слоя изделий (патент на изобретение РФ №2686505, опубл. 29.04.19), при котором повышение качества поверхностной обработки металлов (окалиностойкость, жаростойкость, твердость, коррозионная стойкость и др.) обеспечивается путем осаждения и насыщения поверхностного слоя изделия материалом катода плазмотрона (продуктами эрозии катода). Обработку в известном способе ведут расположенными соосно, плазменной струей обратной полярности тока, горящей между электродом плазмотрона-анодом и плазмообразующим соплом катодом и рабочей плазменной дугой прямой полярности, горящей между плазмообразующим соплом-катодом и изделием-анодом. Это обеспечивает эрозию и перенос материала сопла-катода на поверхность изделия. Для питания дуг используются отдельные источники питания. Техническим результатом изобретения является повышение качества (окалиностойкость, жаростойкость, твердость, коррозионная стойкость и др.) поверхностной обработки металлов (термической и химико-термической) путем покрытия и насыщения поверхностного слоя изделия материалом катода. Данный способ принят за прототип.

Признаки известного способа, совпадающие с признаками заявленного изобретения, заключаются в том, что способ плазменной обработки металлического изделия, а именно плазменной поверхностной термической и химико-термической обработки, путем покрытия и насыщения поверхностного слоя изделия продуктами эрозии материала плазмообразующего сопла-катода. Обработку ведут плазменной струей и плазменной дугой прямого действия. Эрозия катода обеспечивается тем, что между электродом плазмотрона-анодом и плазмообразующим соплом-катодом горит дуга обратной полярности тока. Для обработки используют два отдельных источника питания плазменных дуг.

Причина, препятствующая получению в известном способе технического результата, который обеспечивается изобретением, заключается в том, что рабочая плазменная дуга, горящая между соплом плазмотрона-катодом и изделием-анодом, работает на токе прямой полярности. Это приводит к тому, что снижается качество адгезии переносимого плазменной дугой материала катода с поверхностью изделия из-за наличия оксидов и других загрязнений на поверхности изделия. Кроме того, происходит снижение скорости движения и соударения положительных ионов материала катода с поверхностью изделия (является анодом).

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении качества поверхностной обработки металлов (термической и химико-термической) путем покрытия и насыщения поверхностного слоя изделия материалом катода за счет улучшения адгезии переносимого плазменной дугой материала катода с поверхностью изделия.

Техническим результатом является повышение эксплуатационных характеристик рабочих поверхностей изделий, таких как окалиностойкость, жаростойкость, твердость, коррозионная стойкость.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе плазменной обработки металлического изделия, а именно плазменной поверхностной термической и химико-термической обработки, путем покрытия и насыщения поверхностного слоя изделия продуктами эрозии материала плазмообразующего сопла - катода, при этом обработку ведут плазменной струей обратной полярности тока и плазменной дугой прямого действия, работающих от отдельных источников питания, согласно изобретению обработку ведут раздельно плазменной струей обратной полярности тока, горящей между электродом-анодом и плазмообразующим соплом-катодом отдельного плазмотрона и плазменной дугой прямого действия обратной полярности тока, горящей между электродом-анодом второго плазмотрона и изделием-катодом.

Новые признаки способа заключаются в том, что плазменная поверхностная обработка выполняется раздельно плазменной струей обратной полярности тока, горящей между электродом-анодом и плазмообразующим соплом-катодом отдельного плазмотрона и плазменной дугой обратной полярности тока, горящей между электродом-анодом второго плазмотрона и изделием-катодом. Эрозия материала катода (сопла) перенос и осаждение продуктов эрозии на поверхность изделия осуществляется плазменной струей обратной полярности тока, горящей между электродом-анодом и плазмообразующим соплом-катодом отдельного плазмотрона. Плазменная дуга обратной полярности тока, горящая между электродом-анодом второго плазмотрона и изделием-катодом обеспечивает предварительный нагрев и очистку поверхности изделия. Очистка поверхности от оксидов и загрязнений осуществляется за счет эффекта катодного распыления.

Отличительные признаки, в совокупности с известными, обеспечивают улучшенную адгезию и диффузию материала катода отдельного плазмотрона (продуктов эрозии сопла плазмотрона) переносимых плазменной струей и, как следствие, повышение эксплуатационных характеристик рабочих поверхностей изделий, таких как окалиностойкость, жаростойкость, твердость, коррозионная стойкость и др.

Улучшение адгезии и диффузии обеспечивается тем, что продукты эрозии материала сопла - катода отдельного плазмотрона, переносимые плазменной струей, взаимодействуют с поверхностью изделия, предварительно очищенной и нагретой плазменной дугой прямого действия обратной полярности тока второго плазмотрона. Кроме того, отсутствует снижение скорости движения и соударения положительных ионов материала катода с поверхностью изделия.

На чертеже показана поверхность изделия из стали 16ГСА, после алитирования (один проход).

Осуществление способа заключаются в следующем.

Плазменную поверхностную термическую и химико-термическую обработку выполняют плазменной дугой прямого действия обратной полярности тока, перемещающейся относительно изделия. Производится предварительный нагрев и очистка поверхности изделия плазменной струей обратной полярности тока, горящей между электродом-анодом плазмотрона и плазмообразующим соплом-катодом обеспечивается перенос и осаждение продуктов эрозии материала катода (плазмообразующего сопла) на нагретую и очищенную поверхность изделия. В зависимости от температуры поверхности изделия и длительности воздействия происходит осаждение или осаждение с диффузией материала плазмообразующего сопла на рабочих поверхностях изделия. При этом обеспечивается получение заданных характеристик рабочих поверхностей изделий.

Заявляемый способ иллюстрируется следующим примером.

Разработан и изготовлен стенд (опытный образец) для осуществления описанного способа плазменной обработки металлов. Стенд включает два плазмотрона (один для плазменной обработки плазменной дугой прямого действия током обратной полярности, второй - для плазменной обработки плазменной струей прямого действия током обратной полярности) два источника питания плазменных дуг с напряжением холостого хода не ниже 70 В и падающей внешней вольт-амперной характеристикой, необходимое вспомогательное оборудование. При осуществлении способа ток дуги прямого действия обратной полярности анод плазмотрона - изделие изменяли в диапазоне 50-120А, ток плазменной струи между анодом плазмотрона и плазмообразующим соплом-катодом (алюминий) - 50-150A. Расход плазмообразующих газов (аргон) составлял 2-5 л/мин. Расстояние от рабочего торца плазмотронов до поверхности изделия (дистанция обработки) составляло 8-20 мм. Перемещение плазмотронов относительно изделия производилось со скоростью 1-10 мм/сек. Материалом рабочей вставки был алюминий. Изделие-образец из стали 16ГСА. Ширина дорожки составляла 10-16 мм. Толщина алитированного слоя составила 0,03-0,3 мм. На чертеже представлен результат обработки за один проход. Материалами, наносимыми на поверхность изделия, могут быть никель медь, и др.

Процесс плазменной поверхностной обработки отличается высокой стабильностью.

Способ плазменной химико-термической обработки поверхности металлического изделия, включающий осаждение покрытия с насыщением поверхностного слоя изделия продуктами эрозии материала плазмообразующего сопла-катода первого плазмотрона, отличающийся тем, что выполняют предварительный нагрев и очистку поверхности металлического изделия посредством обработки плазменной дугой прямого действия обратной полярности тока, горящей между электродом-анодом второго плазмотрона и металлическим изделием-катодом, а упомянутое осаждение проводят путем обработки плазменной струей, образованной посредством плазменной дуги обратной полярности тока, горящей между электродом-анодом и плазмообразующим соплом-катодом упомянутого первого плазмотрона, при этом работу указанных первого и второго плазмотронов обеспечивают от отдельных источников питания.

Изобретение относится к восстановлению изношенных деталей и может быть использовано при восстановлении рабочих органов почвообрабатывающих машин. Способ включает удаление изношенной режуще-лезвийной части рабочего органа, изготовление накладной пластины в виде заготовки листового проката шарикоподшипниковой стали ШХ15СГ толщиной 2,0 мм и ее приваривание к восстанавливаемому рабочему органу контактно-точечной сваркой, упрочнение поверхности накладной пластины путем наплавки износостойкого материала по всей площади поверхности накладной пластины.

Способ плазменного напыления биосовместимых покрытий на основе трикальцийфосфата с дополнительным легирующим элементом // 2754129

Изобретение относится к способу плазменного напыления на поверхность имплантата биосовместимого покрытия на основе марганецсодержащего трикальцийфосфата. Проводят предварительную подготовку поверхности имплантата абразивной обработкой.

Установка плазменного напыления покрытий // 2753844

Изобретение относится к области металлургии, в частности к устройствам плазменного нанесения покрытий из порошковых материалов на рабочие поверхности различных изделий. Установка состоит из двух плазмотронов, каждый из которых снабжен узлом кольцевого ввода порошковых материалов с газодинамической фокусировкой, при этом один плазмотрон рассчитан на работу в высокоскоростном дозвуковом или сверхзвуковом турбулентном режиме истечения плазменной струи для нанесения покрытий из металлических материалов, а другой работает в низкоскоростном дозвуковом ламинарном режиме истечения плазменной струи для нанесения покрытий из керамических материалов, причем газоразрядная камера каждого плазмотрона, выполненная в виде секционированного канала, расширяющегося от катода к аноду, имеет различное количество секций в зависимости от требуемого режима истечения плазменной струи, а переключение плазмотронов и порошковых дозаторов осуществляют с пульта управления плазменной установкой через блок переключений плазмотронов.

Способ получения износостойкого покрытия // 2753636

Изобретение относится к способам, обеспечивающим повышение износостойкости поверхностей металлических деталей за счет изменения состава и структуры их поверхностных слоев, и может быть использовано при изготовлении деталей, работающих в условиях гидроабразивного и кавитационного износа при температурах работы ниже 273 К.

Способ получения нескользящего покрытия // 2753273

Изобретение может быть использовано при нанесении покрытий на металлические поверхности трапов, лестниц, мостиков, пешеходных дорожек, автомобильных пандусов, вертолетных площадок, палуб судов. Способ получения нескользящего покрытия включает подготовку поверхности и нанесение полимерного покрытия.

Способ нанесения теплозащитного износостойкого покрытия на детали из чугуна и стали // 2751499

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам получения теплозащитных износостойких покрытий. Способ нанесения теплозащитного износостойкого покрытия на детали из чугуна и стали включает проведение абразивно-струйной обработки поверхности изделия карбидом кремния с размером частиц 1,5 мм, плазменное напыление подслоя на основе кобальта Co-Cr-Al-Y и последующее напыление керметной композиции из механической порошковой смеси, содержащей, мас.%: нихром 10-20, диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, 30-20, никельалюминий 25-30, никельтитан 20-10, молибден 5-10, карбид хрома 5, карбид вольфрама 5.

Способ нанесения электроэрозионностойких покрытий на основе серебра, никеля и нитридов никеля на медные электрические контакты // 2750256

Изобретение относится к формированию покрытий на медных электрических контактах и может быть использовано в электротехнике. Способ нанесения электроэрозионностойких покрытий на основе серебра и никеля, содержащих нитриды никеля, на медные электрические контакты включает электрический взрыв двухслойного композиционного электрически взрываемого проводника, один из слоев которого состоит из серебряной фольги массой 60-360 мг, а второй слой - из никелевой фольги, равной 0,5-2,0 массы первого слоя, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-6,5 ГВт/м2, осаждение на поверхность продуктов взрыва и формирование на ней покрытия системы Ni-Ag, азотирование в течение 3-5 часов при температуре 500-600°С и последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку поверхности покрытия при поглощаемой плотности энергии 40-60 Дж/см2, длительности импульсов 150-200 мкс и количестве 10-30 импульсов.

Способ нанесения электроэрозионностойких покрытий на основе серебра, карбидов вольфрама и мононитрида вольфрама на медные электрические контакты // 2750255

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности и может быть использовано в электротехнике. Способ нанесения электроэрозионных покрытий на основе серебра, карбидов вольфрама и мононитрида вольфрама на медные электрические контакты включает электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской серебряной оболочки массой 60-360 мг и сердечника в виде порошка карбидов вольфрама массой, равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-6,5 ГВт/м2, осаждение на поверхность продуктов взрыва и формирование на ней композиционного покрытия системы WC-Ag, азотирование в течение 3-5 часов при температуре 500-600°С и последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку поверхности покрытия при поглощаемой плотности энергии 40-60 Дж/см, длительности импульсов 150-200 мкс и количестве 10-30.

Порошковый материал для нанесения износостойкого газотермического покрытия, получаемый самораспространяющимся высокотемпературным синтезом // 2748004

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к порошковым материалам для нанесения износостойких покрытий методами газотермического напыления на различные детали машин и оборудования, подвергаемые интенсивному абразивному износу в процессе их эксплуатации. Порошковый материал для нанесения износостойкого газотермического покрытия, получаемый самораспространяющимся высокотемпературным синтезом, состоит из смеси порошка сплава на основе никеля, содержащего хром, бор, кремний, железо и углерод, и порошка оксида алюминия, при следующем соотношении компонентов, мас.%: порошок оксида алюминия - 10, порошок сплава на основе никеля - 90.

Способ формирования покрытия на штамповых сталях // 2746518

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к технологии формирования локальных карбидных покрытий на штамповых сталях, и может быть использовано для повышения поверхностных характеристик штампового инструмента. Способ формирования покрытия на штамповых сталях включает электроискровое легирование стальной основы и последующую термомодифицирующую обработку путем индукционного нагрева в воздушной атмосфере, при этом электроискровое легирование проводят цирконием при плотности переменного тока 0,7-2,3 А/мм2 и удельном времени обработки 38-77 мм2/мин, после чего на поверхность циркониевого слоя наносят углеродосодержащую пасту для проведения цементации, а термомодифицирующую обработку осуществляют при частоте тока на индукторе 100±10 кГц, температуре 850-1250°С в течение 100-300 с, после чего изделие охлаждают на воздухе.

Состав для наплавки // 2752721

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано для аргонодуговой наплавки рабочих органов почвообрабатывающих сельскохозяйственных машин, работающих в условиях динамических нагрузок и абразивного износа. Состав для наплавки содержит, мас.