СПОСОБ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
METHOD FOR PLASMA PROCESSING OF METAL PRODUCTS

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.