УСТАНОВКА ДЛЯ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕТАЛЛА

Полезная модель относится к используемому в машиностроительной отрасли оборудованию, а именно к установкам для газотермической обработки рабочих (режущих и трущихся) поверхностей изделий из металла: режущий инструмент типа сверла, фрезы, матрицы, штампа, развертки, метчика, протяжки и т.п.; технологическая оснастка для холодной и горячей обработки давлением; литейная оснастка станков и оборудования; детали машин и механизмов типа редуктора, двигателя, подшипники и т.п.
Принцип действия газотермической установки состоит в создании при атмосферном давлении струи низкотемпературной плазмы, в которую дозированно с помощью транспортирующего инертного газа (аргона, азота, смеси аргона с азотом) вводятся пленкообразующие парообразные кремнийорганические соединения (ПКС) с содержанием углерода, кремния, азота, водорода и кислорода, полученные из жидких кремнийорганических соединений (КС) типа полиорганосилоксанов (полиорганосилазанов) с низкой температурой начала испарения. Струя низкотемпературной плазмы контактирует с обрабатываемым металлическим изделием, в результате чего его поверхностный слой подвергается плазменной термообработке (микрозакалке): на поверхность изделия осаждается (напыляется) пленка, состоящая из оксидов кремния, карбидов кремния, оксикарбидов кремния, нитридов кремния и прочих соединений кремния и углерода, которые синтезируются в струе плазмы в процессе взаимодействия между собой при высокой температуре исходных ПКС.
Эффект от использования такой установки состоит в многократном (в 3-8 раз) увеличении критериев стойкости изделия (увеличении в 2-3 раза износостойкости поверхностей трения), а также в увеличении усталостной прочности обработанной металлической поверхности. Это достигается за счет увеличения твердости подпленочного слоя металла, нанесения химически инертной, с низким коэффициентом трения, плотной, жаростойкой (до 1000°С), высокой твердости (от 15 до 50 ГПа) пленки на поверхность металла изделия, препятствующей схватыванию и налипанию контактируемых в процессе металлообработки поверхностей металла. Образующееся упрочняющее тонкопленочное покрытие (пленка) является прозрачным для видимых лучей. Толщина пленки может составлять от 0,01 до 3 мкм.
Известна (а.с. SU, 1793004 А1, публикация заявки 17.04.1991; МПК 5 С23С 8/36, B22F 3/24) используемая для химико-термической обработки изделий из твердого сплава путем перемещения вдоль поверхности изделия струи низкотемпературной аргоновой плазмы установка плазменной сварки УПС 301 с плазмотроном и питателем реагентов.
Известен (RU, 2231573, C2) химико-термический способ обработки изделий из твердого сплава и стали, при котором нагрев ведут струей низкотемпературной (до 3000 градусов С) аргоновой плазмы, содержащей углерод, кремний, водород, азот, кислород и аргон, которую перемещают вдоль поверхности изделия. Способ осуществляют при атмосферном давлении без использования вакуумной камеры с помощью установки, состоящей из модернизированного дугового плазмотрона УПНС-304М с блоком финишно-плазменного упрочнения (ФПУ) и жидкостным питателем (ЖП) реагентов, в качестве наполнителя которого используется кремнийорганический полимер. Режим воздействия циклический (нагрев - охлаждение, в т.ч. очищенным сжатым воздухом).
Рабочие параметры плазмотрона:
- ток дуги плазмотрона - 120 А
- расход плазмообразующего аргона - 1,5-2 л/мин
- расход транспортирующего аргона - 0,9-1,2 л/мин.
- расход фокусирующего (защитного) газа 1,5-2 л/мин
Известен (RU, 2354743, C2, публикация заявки 10.12.2008; МПК С23С 8/38 (2006/01)) способ нанесения тонкопленочного покрытия на металлические изделия путем перемещения вдоль поверхности предварительно подогретого изделия струи низкотемпературной плазмы, содержащей углерод, кремний, водород, азот, кислород и аргон. Данный способ осуществляется с помощью принятой за прототип специализированной установки отечественного производства УФПУ-111, включающей в себя источник тока, плазмотрон (ПС-3-01), плазмохимический генератор (НПХ-3-01) и блок аппаратуры, содержащий жидкостный питатель с реагентами упрочнения (препарат, содержащий в своем составе кремнийорганический полимер), устройство поджига дуги, электрические, газовые и водяные коммуникации и органы управления. Рабочие параметры процесса:
- ток дуги - 90-110 А
- расход плазмообразующего аргона - 1,5-2,0 л/мин
- расход транспортирующего аргона - 0,9-1,2 л/мин
- расход защитного аргона - 1,5-2,5 л/мин
К причинам, препятствующим получению нижеуказанного основного технического результата при использовании известных установок, относятся следующие недостатки, обусловленные их конструктивными особенностями:
- нестабильность выбранных значений питающих тока и напряжения, приводящая к их самопроизвольному изменению под влиянием внешних факторов;
- отсутствие (для установок УФПУ-111 и УПНС-304) регулировки подобранного расхода транспортирующего (ТГ) и плазмообразующего газов (ПГ);
- нестабильность температурного режима испарения жидких (жидкого) КС;
- нестабильность давления газа в магистрали.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, состоит в модернизации существующего оборудования для газотермической обработки изделий из металла.
Основной технический результат, который может быть получен при использовании полезной модели, заключается в повышении технической надежности установки, в том числе за счет автоматизации процессов настройки и регулировки ее рабочих параметров.
Указанный технический результат достигается за счет того, что установка для газотермической обработки изделий из металла содержит соединенные газопроводом плазмотрон с узлом ввода защитного газа (ЗГ) и парообразных кремнийорганических соединений (ПКС) в струю плазмы (узел ввода ЗГ и ПКС в струю плазмы) и блок аппаратуры, включающий ЖП, являющийся источником ПКС (реагенты упрочнения) в струю плазмы, с, по крайней мере, одной емкостью с жидкими КС, размещенной в корпусе предназначенного для стабилизации температурного режима испарения жидких КС в емкостях ЖП узла термостатирования ЖП, изготовленного на базе элементов Пельтье, температурным режимом которых управляет связанный с температурным датчиком узла термостатирования ЖП микропроцессор в составе блока управления установки, и с каналами для транспортирующего ПКС в струю плазмы газа; источник питания, в качестве которого используется выпрямитель с круто падающей вольт-амперной характеристикой и трехфазной схемой питания, создающий одновременно с подачей на патрубок плазматрона ПГ разность потенциалов между электродами плазмотрона, а также между одним из вышеуказанных электродов плазмотрона и соплом-электродом узла ввода ЗГ и ПКС в струю плазмы; соединенный с источником инертного газа газовый редуктор, необходимый для обеспечения постоянного давления в газопроводе; ротаметры для регулировки расхода ТГ и ПГ и запорную арматуру в виде клапанов для перекрытия поступающих по газопроводу в корпуса плазмотрона и узла ввода ЗГ и ПКС в струю плазмы потоков ТГ, ПГ и ЗГ; при этом корпус плазматрона с двумя разделенными диэлектрической вставкой электродами, между которыми с помощью искрового генератора (механизм поджига дуги) возбуждается вспомогательная дуга, соединен через диэлектрическую вставку с корпусом узла ввода ЗГ и ПКС в струю плазмы, в котором размещено, по крайней мере, одно, отделенное межэлектродной вставкой от электрода плазмотрона, сопло-электрод с кольцевыми проточками и каналами для подвода и отвода ЗГ, поступающего из газопровода через присоединенные к корпусу узла ввода ЗГ и ПКС в струю плазмы патрубки, и транспортирующего ПКС газа в струю плазмы, поступающего по газопроводу, связывающего узел ввода ЗГ и ПКС в струю плазмы с ЖП.
Источником инертного газа в газопроводе установки, может являться, например, газовый баллон, при этом:
- транспортирующим является инертный газ, который, проходя через емкости с жидкими КС ЖП, используется для переноса ПКС в струю плазмы, при этом прохождение ТГ через емкости ЖП может осуществляться как последовательно, так и параллельно.
- поступающий на патрубок плазмотрона инертный газ (например аргон, азот, смесь аргона с азотом) необходим для плазмообразования (плазмообразующий газ);
- защитным является инертный газ, применяемый для обжатия струи плазмы, дополнительного охлаждения сопла-электрода узла ввода ЗГ и ПКС в струю плазмы и для предотвращения преждевременного взаимодействия составляющих синтеза с кислородом воздуха.
В заявленной установке в качестве источника питания (источник тока) используется выпрямитель с круто падающей вольт-амперной характеристикой, трехфазной схемой питания, которая дополнительно к существующим фильтрам напряжения снижает пульсацию напряжения и ставит источник питания в меньшую зависимость от перепадов напряжения в сети. Номинальное рабочее напряжение источника питания может быть выбрано в пределах от 30 до 45 Вольт, сила постоянного тока при установившемся режиме работы при этом составит 90-120 А. Напряжение холостого хода источника питания (без нагрузки в виде установки) при круто падающей вольт-амперной характеристике всегда больше рабочего напряжения дуги и составляет 70-80 В, что способствует значительному облегчению (дополнительный технический результат) первоначального зажигания вспомогательной дуги.
Использование для образования вспомогательной дуги, которая необходима для плазмообразования, искрового генератора также влияет на надежность установки. Искровой генератор должен иметь небольшую мощность (до 150 Вт) и преобразовывать ток промышленной частоты (50 Гц) и низкого напряжения (40-220 В) в ток высокой частоты (60-300 кГц) с высоким напряжением (2500-6000 В). Высокое напряжение на выходе искрового генератора необходимо для легкого пробоя газового промежутка между электродами искрой, а высокая частота тока необходима для устранения возможного воздействия тока на организм человека.
Настройка и регулировка рабочих параметров (давление и расход газа в магистрали, температура в емкостях ЖП) установки производится автоматически за счет применения ротаметров, газового редуктора и узла термостатирования (термостат) ЖП.
Разброс настроек расхода транспортирующего газа более 1,5% приводит к критическому увеличению испарения жидких КС в ЖП и, соответственно, к увеличению парообразных КС в струе плазмы, что нарушает подобранный баланс КС, газа и энергии струи плазмы, снижает качество тонкопленочного покрытия. Разброс более 1,5% настроек расхода ПГ приводит к увеличению (уменьшению) итоговой концентрации парообразных КС на входе в узел ввода ЗГ и ПКС в струю плазмы.
В заявленной установке используются, как минимум, два ротаметра (как правило, электронных автоматических), работа которых не зависит от колебаний температуры и давления ТГ в газовой магистрали, возникающих из-за взаимосвязи между собой параметров расхода, плотности, давления и температуры. Ротаметры обеспечивают и стабилизируют необходимый расход плазмообразующего (1,2-2 л/мин) и транспортирующего (0,9-1,2 л/мин) газов. Расход же ЗГ в газопроводе может подбираться жиклером и иметь погрешность ±10%, а может регулироваться дополнительным ротаметром в пределах 1,5-2,5 л/мин.
Установленный в газовой магистрали и соединенный с баллоном с инертным газом газовый редуктор обеспечивает постоянное (независимо от давления газа в баллоне) рабочее давление газа в газовой магистрали.
Используемый в установке узел термостатирования ЖП, необходимый для стабилизации температурного режима испарения жидких КС в емкостях ЖП, изготовлен на базе элементов Пельтье, режимом нагрева/охлаждения которых управляет связанный с температурным датчиком узла термостатирования ЖП микропроцессор в составе блока управления установки.
Необходимость в узле термостатирования обусловлена физическими процессами, происходящими на границе раздела жидкой и парообразной фаз КС в ЖП. С позиций молекулярно-кинетической теории для того, чтобы над поверхностью жидкости (жидкого соединения, реагента или реагентов) появилось в необходимой концентрации парообразное КС, необходимо, чтобы заметное число молекул в жидкости этого соединения приобрело кинетическую энергию достаточную для того, чтобы преодолеть силы притяжения со стороны остающихся в жидкости молекул этого соединения и перейти в газовую фазу. Переход части жидкости в газообразную фазу приводит к обеднению жидкости (жидкой фазы) быстрыми молекулами с достаточной кинетической энергией и, следовательно, к ее охлаждению, а также, соответственно, к снижению количества покидающих жидкость молекул, то есть к снижению концентрации молекул над жидкостью, к падению концентрации ПКС. Учитывая, что в ходе работы в помещении, где находится оборудование и осуществляется процесс нанесения тонкопленочного покрытия, возможно как выделение тепла (например, со стороны источника питания, плазматрона, устройства охлаждения воды), так и его поглощение (снижение температуры в помещении из-за приточно-вытяжной вентиляции, сквозняков, повышения или понижения температуры на улице), возможно изменение температуры оболочек емкостей ЖП с жидкими КС, изменение температуры жидких КС и, соответственно, изменение концентрации паров КС, что приводит к нарушению выбранного режима технологического процесса. Если внешним источником тепла/холода поддерживать (термостатировать) температуру оболочек емкостей с жидкими КС постоянной, по выбранному значению в пределах ±3%, то процесс нанесения тонкопленочного покрытия приобретет большую стабильность: появляется возможность подбирать и поддерживать температуру жидкого КС, при которой концентрация паров КС над жидкостью и концентрация испаряющихся из жидкости молекул КС, уносящихся транспортирующим газом к узлу ввода ЗГ и ПКС в струю плазмы, будут находиться в равновесном состоянии.
Как правило, корпуса плазмотрона и узла ввода ЗГ и ПКС в струю плазмы оснащаются патрубками, через которые осуществляется подача и отвод циркулирующей в корпусах этих устройств охлаждающей жидкости (ОЖ).
В частных случаях исполнения установки блок управления установки может быть оснащен реле включения клапана, подающего ПГ на патрубок плазмотрона, а для герметичного закрывания емкостей ЖП могут использоваться газовые клапаны, расположенные до, между и после емкостей и открывающиеся одновременно в установившемся режиме работы установки.
Для пояснения сущности заявленной полезной модели представлены следующие графические материалы:
- на фиг.1 - изображен плазматрон (продольный разрез), совмещенный с узлом ввода 2 ЗГ и ПКС в струю плазмы;
- на фиг.2 изображена блок-схема части (без плазмотрона и узла ввода ЗГ и ПКС в струю плазмы) газотермической установки, которая (блок-схема) содержит элементы электрической и газовой схем (водоохлаждающие коммуникации показаны частично на изображении плазматрона фиг.1).
Ниже, на примере конструкции конкретной газотермической установки приводятся сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели с получением вышеуказанного основного технического результата.
Установка для газотермической обработки изделий из металла содержит (см. фиг.1 и 2), плазмотрон 1 с узлом ввода ЗГ и ПКС в струю плазмы 2; ЖП с узлом термостатирования; соединенный с источником (баллон) 3 инертного газа газовый редуктор 4 для обеспечения постоянного давления в газовой магистрали; электронные ротаметры 5, 6 и 7 для регулировки расхода, соответственно, транспортирующего, защитного и плазмообразующего газов; источник питания 8; искровой генератор (блок искрового генератора) 9 и блок управления 10.
Основным элементом установки является генератор струи низкотемпературной плазмы - плазмотрон 1 с двумя размещенными в его корпусе 11 и разделенными диэлектрической втулкой 12, необходимой для предотвращения пробоя напряжения между электродами 13 и 14. Корпус 11 плазмотрона 1 имеет патрубок 15 (подводящий патрубок) для подачи (подвода) ПГ.
Корпус 11 плазматрона 1 и корпус 16 узла ввода ЗГ и ПКС в струю плазмы 2 соединены (например, резьбовым соединением) между собой через диэлектрическую вставку 17.
В корпусе 16 узла ввода ЗГ и ПКС в струю плазмы 2 размещены: сопло-электрод 18 с кольцевой проточкой 19 (а) и каналами ввода и отвода поступающего через патрубок 20 корпуса 16 ЗГ и кольцевой проточкой 19 (б) и каналами ввода поступающего через патрубок 21 корпуса 16 транспортирующего ПКС газа в струю низкотемпературной плазмы; межэлектродные вставки 22 и 23 и расположенные между ними диэлектрические вставки 24. Опытным путем установлено, что количество межэлектродных вставок должно быть не менее одной, оптимально - две, так как в противном случае возможен перегрев узла ввода ЗГ и ПКС в струю плазмы 2, приводящий к преждевременному разрушению диэлектрических вставок 24 и 17.
Через патрубки 25 (подводящий патрубок) и 26 (отводящий патрубок) осуществляется соответственно вход и выход циркулирующей в корпусе 11 плазмотрона 1 и корпусе 16 узла ввода ЗГ и ПКС в струю плазмы 2 охлаждающей жидкости.
ЖП, являющийся источником ПКС в струю плазмы, состоит из корпуса 27 с каналами 28 для прохождения ТГ, в котором (корпусе) закреплены одна или более емкостей 29 с жидкими КС (реагенты упрочнения). Емкости 29 выполнены в виде стаканов, которые фиксируются в корпусе 27 ЖП накидными гайками через герметизирующие прокладки. В нерабочем состоянии прохождение ТГ через емкости 29 ЖП герметично перекрыто газовыми клапанами 30-32, которые стоят до, между и после емкостей 29 и открываются одновременно в установившемся режиме работы установки. Прохождение ТГ через емкости 29 ЖП осуществляется последовательно. Емкости 29 ЖП размещаются в отверстиях корпуса 33 узла термостатирования ЖП, изготовленного на базе элементов Пельтье 34, одна сторона которых интегрирована в корпус 33, а на другой стороне расположен радиатор 35 с вентилятором охлаждения (не показан). Микропроцессор (не показан, в составе блока управления 10) узла термостатирования управляет режимом нагрева/охлаждения элементов Пельтье: сравнивает текущую температуру, получаемую с находящегося внутри корпуса 33 датчика температуры 36, с заданной температурой и меняет полярность прямого тока элемента Пельтье, нагревая, тем самым, либо охлаждая его и, таким образом, поддерживая заданную постоянную температуру в емкостях 29 с жидкими КС.
В дополнение к, являющимися элементами газовой схемы установки, ротаметрам 5 и 7, с функциями стабилизации и регулировки расхода транспортирующего и плазмообразующего газа, установлен ротаметр 6 для регулировки расхода защитного инертного газа.
Применяемая в установке запорная (трубопроводная) арматура в виде клапанов 37-38 (подача ПГ), 39 (подача ЗГ), 30-32 (подача ТГ) предназначена для перекрытия поступающих по газопроводу в корпуса плазмотрона и узла ввода ЗГ и ПКС в струю плазмы потоков (ТГ, ПГ, ЗГ) газовой среды.
В качестве источника питания 8 установки используется выпрямитель типа ВД-306Д с основными техническими характеристиками: напряжение питающей сети 380 В, частота питающей сети 50 Гц, пределы регулирования выходного рабочего номинального напряжения 30-40 В. Для получения качественного тонкопленочного покрытия (пленки) выбранные значения выходного рабочего напряжения и установившейся силы тока выпрямителя не должны изменяться более чем ±2%.
К элементам электрической схемы установки относятся ее следующие конструктивные элементы:
- электрод 14 (клемма 40) плазмотрона;
- электрод 13 (клемма 41) плазмотрона;
- сопло-электрод 18 (клемма 42) узла ввода ЗГ и ПКС.
Для образования вспомогательной дуги применяется искровой генератор 9. Дополнительное сопротивление R (R=1,5-3 Ом) 43 искрового генератора служит для обеспечения тока вспомогательной дуги в пределах 10-20 А.
В блок управления 10 установки входят микропроцессор узла термостатирования ЖП, реле включения клапана 37 (подача на патрубок 15 плазмотрона 1 ПГ), тумблеры и реле времени.
При отсутствии централизованного водоснабжения установки холодной водой может быть использована водоохлаждающая установка.
Ниже описана последовательность работы заявленной газотермической установки.
Для обеспечения работы установки перед ее включением на газовом редукторе 4 регулировочным винтом выставляется давление по манометру 0,2-0,3 МПа.
На патрубок 15 плазматрона 1 подается ПГ с расходом в 1,5-2 раза большим (для более легкого плазмообразования) от номинального (рабочего) установившегося режима. С помощью искрового генератора 9 между электродами 13 (клемма 41) и 14 (клемма 40) возбуждается вспомогательная дуга, причем ее установившийся ток для стабильной работы плазмотрона должен быть в пределах 10-20 А, а номинальное рабочее напряжение 30-45 В. Одновременно с подачей на патрубок 15 плазмотрона 1 ПГ между соплом-электродом 18 (клемма 42) и электродом 13, а так же электродами 14 и 13, источником питания 8 создается разность потенциалов в 70-80 В. Для обеспечения тока вспомогательной дуги в пределах 10-20 А устанавливается дополнительное сопротивление R (1,5-3 Ом) 43. В результате вышеперечисленных действий ПГ ионизируется и создает струю плазмы, которая, начинаясь на выходе электрода 14, выталкивается давлением инертного газа из сопла-электрода 18 наружу. После получения низкотемпературной струи плазмы искровой генератор отключается, а напряжение становится рабочим напряжением, конструктивно заложенным в источник питания в диапазоне 30-45 В, соответственно общий ток потребления установки устанавливается в диапазоне 90-120 А.
На патрубки 25 (подводящие патрубки) подается, а через патрубки (отводящие патрубки) 26 отводится циркулирующая внутри корпуса 11 плазматрона 1 и корпуса 16 узла ввода ЗГ и ПКС в струю плазмы 2 ОЖ, которая отводит образующееся в процессе плазмообразования тепло для предотвращения расплавления деталей установки. Возникающая за счет электропроводности ОЖ на межэлектродных вставках 22 и 23 дополнительная разность потенциалов (напряжение на межэлектродной вставке 23 меньше, чем на сопле-электроде 18, а на межэлектродной вставке 22 меньше, чем на межэлектродной вставке 23) способствует формированию устойчивой струи плазмы.
Через 2-3 секунды устойчивой работы (установившийся режим) установки (появления струи плазмы из сопла-электрода 18) блок управления 10 с помощью реле времени закрывает клапан 37 подачи на патрубок 15 ПГ. Расход ПГ в установившемся режиме работы плазмотрона регулируется ротаметром 7 в пределах 1,5-2 л/мин.
Далее оператор открывает клапаны 30, 31, 32 подачи транспортирующего ПКС газа и клапан 39 подачи ЗГ. ТГ, расход которого регулируется ротаметром 5, поступает в ЖП, проходит через емкости 29 ЖП с жидкими КС, подхватывает их пары, смешивается с ними и по газопроводу подводится к патрубку 21 узла ввода ЗГ и ПКС в струю плазмы 2, а затем через кольцевые проточки 19 (б) в сопле-электроде 18 и в корпусе 16 узла ввода ЗГ и ПКС 2 вводится в струю низкотемпературной плазмы.
Для фокусировки (обжатия) плазменной струи, дополнительного охлаждения сопла-электрода 18 и предотвращения преждевременного взаимодействия составляющих синтеза с кислородом воздуха через патрубок 20 в кольцевую проточку 19 (а) сопла-электрода 18 и корпуса 16 узла ввода ЗГ и ПКС 2 в струю плазмы подается газовая защитная среда - защитный инертный газ.
Общий установившийся ток потребления совмещенных плазматрона 1 и узла ввода ЗГ и ПКС 2 в струю плазмы составляет 90-120 А.