RU2560493C2 - Plasma thermal processing of article surface layer - Google Patents
Plasma thermal processing of article surface layer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2560493C2 RU2560493C2 RU2014100228/02A RU2014100228A RU2560493C2 RU 2560493 C2 RU2560493 C2 RU 2560493C2 RU 2014100228/02 A RU2014100228/02 A RU 2014100228/02A RU 2014100228 A RU2014100228 A RU 2014100228A RU 2560493 C2 RU2560493 C2 RU 2560493C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- product
- arc
- heat treatment
- plasma arc
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области упрочняющей термической обработки поверхностного слоя изделий.The invention relates to the field of hardening heat treatment of the surface layer of products.
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).Known methods for plasma heat treatment of the surface layer of products (RF patents No. 2064511 from 07.27.1996, No. 2069131 from 11.20.1996, No. 2343211 from 01.10.2009), in which the plasma treatment is carried out by a plasma jet (indirect arc) )
Признаки известных способов, совпадающие с признаками заявленного изобретения, заключаются в том, что поверхностную термическую обработку ведут низкотемпературной плазмой.Signs of known methods that coincide with the features of the claimed invention are that the surface heat treatment is carried out by low-temperature plasma.
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.The reason that prevents obtaining in the known methods a technical result, which is provided by the invention, is the low heating efficiency of the surface of the product. In processes using a plasma jet (plasma arc of indirect action), the heat transfer to the product at the same power is 1.3-2.0 times less than when processing a plasma arc of direct action. Effective heat treatment requires high power plasmatrons (40 kW or more), which leads to an increase in size and weight. The power sources of such plasmatrons must have an open circuit voltage of at least 200 V.
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.Technical solutions are known (see, for example, patents for a utility model of the Russian Federation No. 78193 dated November 20, 2008, No. 95665 dated July 10, 2010), in which plasma surface heat treatment of products is carried out by moving one or two plasma arcs on the surface of the product direct current by direct polarity (the product is an anode). Argon is used as the plasma gas. To increase the width of the heat-treatment zone, forced scanning of the arc along the surface of the product by using an external electromagnetic field is used. A power source with an open circuit voltage of 80-90 V can be used to power the plasma arc. At the same time, a high heat flux density and the heating rate of the product surface are ensured.
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.Signs of known methods that match the features of the claimed invention are that surface heat treatment is carried out by a plasma arc of direct action; argon is used as the plasma gas.
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.The reason that prevents obtaining in the known methods a technical result, which is provided by the invention, is to complicate the technical implementation of the method of plasma surface heat treatment. The complication is the use of more than one plasma arc and the forced scanning of the arc on the work surface. This requires the use of an arc scanning device, including a generator, an electromagnetic coil and ferromagnetic jaws, as well as a scanning device control system. In addition, additional control panels and power supplies are required for the operation of the second plasma torch or second arc.
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.A known method (RF patent No. 2430166 from 09/27/2011), in which the surface heat treatment is carried out by a low-temperature plasma arc of direct action by a current of direct polarity (the product is an anode). Argon is used as the plasma gas. In this case, one plasmatron and one plasma arc are used. To increase the width of the heat treatment zone and the uniformity of heating, magnetic arc oscillations with a scanning amplitude of 20-45 mm are used.
При этом обеспечивается упрощение процесса термообработки.This simplifies the heat treatment process.
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.Signs of the known method, coinciding with the features of the claimed invention, are that surface heat treatment is carried out by a single plasma arc of direct action; argon is used as the plasma gas.
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.The reason that prevents the obtaining in the known method of a technical result, which is provided by the invention, is to complicate the technical implementation of the method of plasma surface heat treatment. The complication is the use of magnetic arc oscillations by an external electromagnetic field, which requires the use of an alternating magnetic field generator, reduces the technological capabilities of the process by complicating the design of the plasma torch, increasing its size and mass.
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.The closest method of the same purpose to the claimed invention in terms of features is a method of plasma heat treatment of the surface layer of products, including heating the working surface of the product with a direct-acting argon plasma arc with a reverse polarity current (RF patent No. 2313581 of 12/27/2007). This method is adopted as a prototype.
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.Signs of the prototype, coinciding with the features of the claimed invention, are that the surface heat treatment is carried out by a single plasma arc of direct action on a current of reverse polarity; argon is used as the plasma gas.
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.The reason that impedes the obtaining of the technical result indicated below when using the known method adopted for the prototype is to limit the scanning area of the cathode spots, which reduces the width of the treatment zone and the quality of protection of the treatment zone.
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.The problem to which the claimed technical solution is directed is to simplify the technical implementation of the method of plasma surface heat treatment while ensuring process performance and the quality of the processed surface.
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.The problem was solved due to the fact that in the known method of plasma heat treatment of the surface layer of products, including heating the working surface of the product with a direct-acting argon plasma arc on a current of reverse polarity, according to the invention, the working surface of the product is heated in a chamber covering the plasma arc and the processing zone the working surface of the product from contact with the atmosphere, ensuring the expansion of the scanning zone of the cathode spots on the surface of the product.
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.Signs of the proposed technical solution, distinctive from the prototype - heating the working surface of the product is carried out in a chamber that closes the plasma arc and the processing zone of the working surface of the product from contact with the atmosphere.
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.The technical result that mediates the solution of this problem lies in the fact that the surface heat treatment is carried out by a closed plasma arc of direct action on a current of reverse polarity in an inert gas medium. In this case, the product is a cathode. The plasma arc is in contact with the surface of the product (the surface is a “cold” cathode) in individual cathode spots. Cathode spots on the surface of the product make rapid chaotic movements, providing a natural scan over the surface of the product, in the inert gas protection zone. Moreover, the energy density in the cathode spots reaches 10 6 -10 7 W / cm 2 , which creates additional conditions for fast, uniform heating of the surface layer of the product. In the presence of a chamber that closes the plasma arc and the treatment zone from contact with the atmosphere, by filling it with argon, the scanning width of the cathode spots on the surface of the product is significantly expanded. In addition, eliminates the saturation of the surface of the product with hydrogen and its oxidation. Environmental conditions are improving due to the absence of plasma arc radiation and the reduction of ozone formation.
На фиг. 1 показана функциональная схема способа плазменной поверхностной термообработки закрытой плазменной дугой прямого действия на токе обратной полярности.In FIG. 1 shows a functional diagram of a method for plasma surface heat treatment of a closed direct-acting plasma arc at a reverse polarity current.
На фиг. 2 - внешний вид зоны термообработки.In FIG. 2 - appearance of the heat treatment zone.
На фиг. 3 - микроструктура термообработанного слоя на стали 40X13.In FIG. 3 - microstructure of the heat-treated layer on 40X13 steel.
Предлагаемый способ осуществляется в следующей последовательности.The proposed method is carried out in the following sequence.
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.The power supply of the IP plasma arc is connected by the pole “+” to the electrode of the plasma torch 1, and by the pole “-” to the product 2, a plasma-forming argon gas is supplied to the plasma forming nozzle 3, which fills the chamber 4, which covers the plasma arc and the treatment zone. If necessary, additional argon can be supplied to chamber 4. A plasma arc and longitudinal movement relative to the product are turned on, and cathode spots spontaneously scan along the product surface within the area covered by chamber 4. The product surface quickly heats up to the temperature required for the given heat treatment, and quickly cools when leaving the zone of influence of the plasma arc due to heat removal into the product.
Пример конкретного выполненияConcrete example
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.The surface of the product is made of steel 40X13. The plasma arc current was used in the range of 160-200 A. The linear velocity of movement was in the range of 1-3 cm / sec. The diameter of the chamber is 40 mm. Moreover, the scanning width of the cathode spots on the surface of the product and heat treatment was 30-40 mm (see Fig. 2). Heat treatment was carried out without melting the surface layer of the product. The structure in the heat-treated layer is fine-grained martensite (see Fig. 3). Hardness on the surface was 54-56, at a depth of 1.5 mm 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.An advantage of the invention is that it provides an increased width (up to 35-45 mm) of the hardening zone without forced arc scanning, high surface quality due to the absence of interaction of heated metal with air, uniform distribution of the characteristics of the hardened layer in width and depth, and an optimal thermal cycle forming the necessary metal structure. In addition, the possibility of saturation of the surface layer with hydrogen and oxidation is excluded. At the same time, equipment is simplified, costs are reduced and processing productivity is increased.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014100228/02A RU2560493C2 (en) | 2014-01-09 | 2014-01-09 | Plasma thermal processing of article surface layer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014100228/02A RU2560493C2 (en) | 2014-01-09 | 2014-01-09 | Plasma thermal processing of article surface layer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2014100228A RU2014100228A (en) | 2015-07-20 |
| RU2560493C2 true RU2560493C2 (en) | 2015-08-20 |
Family
ID=53611274
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014100228/02A RU2560493C2 (en) | 2014-01-09 | 2014-01-09 | Plasma thermal processing of article surface layer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2560493C2 (en) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1995025420A1 (en) * | 1994-03-15 | 1995-09-21 | Aluminum Company Of America | Apparatus for treating metal surfaces with a magnetically impelled arc |
| SU1540286A1 (en) * | 1988-04-11 | 1997-01-20 | Курганский машиностроительный институт | Method of strengthening steel parts |
| RU2275433C1 (en) * | 2004-11-16 | 2006-04-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Part surface hardening method |
| RU2313581C2 (en) * | 2005-10-20 | 2007-12-27 | ООО "Композит" | Manual plasma quenching method |
| RU2398892C1 (en) * | 2009-09-07 | 2010-09-10 | Открытое акционерное общество "Новокузнецкий металлургический комбинат" | Procedure for surface strengthening of forming rolls |
| RU2430166C1 (en) * | 2010-03-01 | 2011-09-27 | Некоммерческое партнерство "Национальный центр развития инновационных технологий" (НП НЦРИТ) | Procedure for strenghening railroad wheels and railroad wheel with strengthened working surface |
| RU125196U1 (en) * | 2012-03-22 | 2013-02-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Композит" (ООО "Композит") | INSTALLATION FOR PLASMA HANGING |
-
2014
- 2014-01-09 RU RU2014100228/02A patent/RU2560493C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1540286A1 (en) * | 1988-04-11 | 1997-01-20 | Курганский машиностроительный институт | Method of strengthening steel parts |
| WO1995025420A1 (en) * | 1994-03-15 | 1995-09-21 | Aluminum Company Of America | Apparatus for treating metal surfaces with a magnetically impelled arc |
| RU2275433C1 (en) * | 2004-11-16 | 2006-04-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Part surface hardening method |
| RU2313581C2 (en) * | 2005-10-20 | 2007-12-27 | ООО "Композит" | Manual plasma quenching method |
| RU2398892C1 (en) * | 2009-09-07 | 2010-09-10 | Открытое акционерное общество "Новокузнецкий металлургический комбинат" | Procedure for surface strengthening of forming rolls |
| RU2430166C1 (en) * | 2010-03-01 | 2011-09-27 | Некоммерческое партнерство "Национальный центр развития инновационных технологий" (НП НЦРИТ) | Procedure for strenghening railroad wheels and railroad wheel with strengthened working surface |
| RU125196U1 (en) * | 2012-03-22 | 2013-02-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Композит" (ООО "Композит") | INSTALLATION FOR PLASMA HANGING |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2014100228A (en) | 2015-07-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wei et al. | Surface modification of 5CrMnMo steel with continuous scanning electron beam process | |
| Plotnikova et al. | Formation of high-carbon abrasion-resistant surface layers when high-energy heating by high-frequency currents | |
| Akamatsu et al. | Surface treatment of steel by short pulsed injection of high-power ion beam | |
| Özbek et al. | Surface properties of M2 steel treated by pulse plasma technique | |
| RU2560493C2 (en) | Plasma thermal processing of article surface layer | |
| CN101490793B (en) | Plasma treatment apparatus for continuous material | |
| Zhao et al. | Intense pulsed ion beam sources for industrial applications | |
| KR101721565B1 (en) | Induction Plasma Torch with Dual Frequency Power and Nono-sized Particles Production Apparatus using the Same | |
| Rakhimov et al. | Analysis of the impact of informative heat treatment parameters on the properties of hardening of the surface layers | |
| RU2478141C2 (en) | Modification method of material surface by plasma treatment | |
| RU2532779C1 (en) | Method and device for accelerated nitration of machined parts by electromagnetic field pulses | |
| Niu et al. | Plasma application in thermal processing of materials | |
| CN104846154A (en) | Laminar flow electrical arc plasma beam subaqueous surface strengthening system | |
| RU2536854C2 (en) | Steel articles surface hardening | |
| Israfilov et al. | Pulse plasma surface thermostrengthening of machine parts | |
| RU95665U1 (en) | DEVICE FOR PLASMA HARDENING OF PRODUCTS FROM STEEL AND CAST IRON IN AUTOMATIC AND MANUAL MODES BY TWO-ARROW PLASMOTRON | |
| Khafizov et al. | Determination of regression materials mircohardness, processed by low-temperature plasma dependence on process conditions | |
| Schwab et al. | TIG welding of titanium alloy VT22 performed using the external control magnetic field | |
| RU2735698C1 (en) | Method of electroarc hardening of steel products | |
| Kuznetsov | Vacuum-arc hardening of metals surface | |
| RU172044U1 (en) | Installation for plasma surface hardening of steel and cast iron parts | |
| Chivel et al. | Atmospheric pressure pulsed-periodic source of high energy plasma flows and its applications | |
| RU2275433C1 (en) | Part surface hardening method | |
| RU2524173C1 (en) | Melting plasmatron | |
| RU2163424C1 (en) | Device for dynamic plasma treatment of articles |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190110 |