CN117604460A - 一种适用于金属材料的脉冲等离子处理装置及其处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于金属材料的脉冲等离子处理装置及其处理方法，包括等离子枪体，等离子枪体内形成有增压反应室；沿着增压反应室的轴线布设有电极，电极一端固定在绝缘体上；电极的底部形成有电极末端，等离子枪体的底部形成倾斜状的枪体锥面，电极末端与枪体锥面之间形成有二次增压室；电极和枪体锥面分别连接脉冲电源的正负极；其中，等离子枪体通过连接管和小型爆炸枪相连；本发明结构简单，设计巧妙，通过向电极和枪体接入脉冲高压，就可以在二次增压室内产生不均匀电磁场，该不均匀电磁场可以聚焦电极与金属材料之间产生的等离子束流，提高等离子束流的流速、温度和能量密度。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料加工技术领域，特别是涉及一种适用于金属材料的脉冲等离子处理装置及其处理方法。
背景技术
常用的金属材料表面硬化技术有渗碳、氮化、硬质阳极氧化、镀铬、表面淬火等。另外，也可借助激光、等离子等手段制备耐磨涂层来提高金属材料的表面硬度及耐磨性。
例如专利[1]：一种轧辊的硬化方法(俄罗斯联邦专利№2239001)，该专利是为了延长轧辊的使用寿命，提高轧辊的产品质量而提出的一种表面硬化方法。该方法首先利用高能脉冲等离子束流对轧辊表面进行冲击处理，然后在轧辊表面喷涂一层耐磨涂层，最后再一次对附有涂层的轧辊表面进行高能脉冲等离子束冲击处理。该方法可以显著提高耐磨涂层的结合力，延长轧辊的使用寿命。但该方法存在如下缺点：1)为了获得高质量的涂层，需要对材料整体进行加热，这会影响基体的强度；2)生产效率较低。
专利[2]：一种金属材料的表面处理方法(俄罗斯联邦专利申请号：94028267/02)，该专利是采用高温等离子束对金属材料表面进行脉冲轰击处理的方法。该方法可以实现对材料表面的快速加热和快速冷却，且不会造成金属材料内部的显著温升。快速的加热和冷却可以抑制晶核的形成和长大，消除金属材料表面元素的偏析。该方法的缺点是等离子射流的能量密度较低，这会降低表面处理的质量和生产效率。
专利[3]：一种可获得纳米结构化表面层的金属制品的硬化方法(俄罗斯联邦专利№
2527511)，该专利首先通过沉积的方式在金属表面制备一层纳米涂层，然后利用激光束冲击涂层表面，获得具有纳米结构的硬化层，从而提高金属材料表面硬度。该方法存在如下缺点：1)需要表面预处理和喷涂沉积高质量的合金涂层，生产效率低；2)需要较高能量密度的激光来熔化涂层和基体；3)在激光的热作用下，材料表面会形成不均匀的内应力，影响表面涂层的质量。
针对以上问题，故，有必要对其进行改进。
发明内容
本专利的主要目的是针对现有技术存在的问题，提出一种在金属材料表面快速制备纳米硬化层的方法。该方法可以通过提高等离子射流在横截面上能量密度和能量分布的均匀性，从而确保合金元素在材料表面的有效合金化和纳米结构化。相对激光，等离子射流的能量密度更低，可以较为均匀地加热材料表面，降低材料表面的温度梯度，确保涂层与基体均匀受热，提高涂层质量的同时，还可以提高生产效率。
为了达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种适用于金属材料的脉冲等离子处理装置，包括等离子枪体，等离子枪体内形成有增压反应室；沿着增压反应室的轴线布设有电极，电极一端固定在绝缘体上；电极的底部形成有电极末端，等离子枪体的底部形成倾斜状的枪体锥面，电极末端与枪体锥面之间形成有二次增压室；电极和枪体锥面分别连接脉冲电源的正负极；其中，等离子枪体通过连接管和小型爆炸枪相连。
作为本发明的一种优选方案，所述枪体锥面的倾斜角度为30°～45°。
作为本发明的一种优选方案，所述电极为熔化或非熔化电极。
作为本发明的一种优选方案，所述电极末端距喷嘴底部的高度为A，喷嘴底部距金属材料表面的高度B，其中B＞A。
一种适用于金属材料的脉冲等离子处理装置的处理方法，包括以下步骤：
步骤1：利用压缩空气将含有C、N、W、Mo、Ti、Cr等元素的粉末送入增压反应室内；
步骤2：通过小型爆炸枪内的可燃气体爆炸；爆炸产生的高温、高压爆炸产物通过连接管进入增压反应室，对粉末进行加热、加压；
步骤3：粉末在爆炸产物和冲击波的作用下，被加热、加压，然后以较高的速度和温度进入二次增压室；
步骤4：通过向电极和等离子枪体接入脉冲电源，在二次增压室内产生不均匀电磁场，该不均匀电磁场可以聚焦电极与金属材料之间产生的等离子束流，提高等离子束流的流速、温度和能量密度；
步骤5：进入二次增压室的粉末在等离子束流的作用下熔化、汽化甚至电离，然后以较高的速度和温度轰击到金属材料表面，通过合金化的形式在金属材料表面形成一层纳米涂层；
步骤6：在爆炸产生的冲击波、脉冲电流产生的电场、自身感应的脉冲磁场以及枪体锥面的作用下，被压缩的等离子射流从等离子体枪口射出，作用在金属材料表面，对刚形成的纳米涂层再次进行轰击，使得纳米涂层和金属材料表面熔合，形成致密的表面改性层；
步骤7：随后通入压缩空气强制冷却金属材料表面，提高涂层的结合强度。
作为本发明的一种优选方案，所述电极和等离子枪体接入的脉冲电源是正极性、负极性和变极性。
本发明的有益效果是：
1.本发明结构简单，设计巧妙，通过向电极和枪体接入脉冲高压，就可以在二次增压室内产生不均匀电磁场，该不均匀电磁场可以聚焦电极与金属材料之间产生的等离子束流，提高等离子束流的流速、温度和能量密度。
2.本发明的等离子处理方法生产效率高，还可以通过工艺过程的自动化，进一步提高生产效率；
3.本发明的等离子处理方法过程对金属材料表面的要求低，不需要对金属材料表面进行预处理即可进行表面处理；
4.本发明的通过压缩等离子束流对纳米涂层的二次熔化和快速强冷，大大提高涂层的结合强度；
5.本发明的采用等离子处理方法粉末利用率高、电能消耗低、节约能源和材料；
6.本发明的采用等离子处理方法仅对金属材料表面进行加热，不会明显改变材料基体的强度。
附图说明
图1是本发明的脉冲等离子处理装置示意图；
图2是实施例1中表面层不同区域分布图；
图3是实施例2中表面层不同深度区域分布图；
附图标记说明：电极1，绝缘块2，连接管3，小型爆炸枪4，等离子枪体5，增压反应室6电极末端7，枪体锥面8，粉末9，金属材料10，纳米涂层11，等离子束流12，脉冲电源13，二次增压室14。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参阅图1，是本发明的脉冲等离子处理装置示意图；
一种适用于金属材料的脉冲等离子处理装置，包括等离子枪体5，等离子枪体5内形成有增压反应室6；沿着增压反应室6的轴线布设有电极1，电极1一端固定在绝缘体2上；其中，电极1为熔化或非熔化电极；电极1的底部形成有电极末端7，等离子枪体5的底部形成倾斜状的枪体锥面8，电极末端7与枪体锥面8之间形成有二次增压室14；电极1和枪体锥面8分别连接脉冲电源13的正负极；其中，等离子枪体5通过连接管3和小型爆炸枪4相连。
本发明结构简单，设计巧妙，通过向电极和枪体接入脉冲高压，就可以在二次增压室内产生不均匀电磁场，该不均匀电磁场可以聚焦电极与金属材料之间产生的等离子束流，提高等离子束流的流速、温度和能量密度。
枪体锥面8的倾斜角度为30°～45°；本实施例中，枪体锥面8的倾斜角度为35°
电极末端7距喷嘴底部的高度为A，喷嘴底部距金属材料10表面的高度B，其中B＞A。
一种适用于金属材料的脉冲等离子处理装置的处理方法，该方法首先利用爆炸技术在金属材料表面制备一层纳米涂层，然后再用等离子射流轰击金属材料的表面，使得金属材料表面纳米涂层与基体熔合，最后采用压缩空气强制快速冷却金属表面，提高涂层与金属表面的结合强度。
具体包括以下步骤：
步骤1：利用压缩空气将含有C、N、W、Mo、Ti、Cr等元素的粉末送入增压反应室6内；
步骤2：通过小型爆炸枪4内的可燃气体爆炸；爆炸产生的高温、高压爆炸产物通过连接管3进入增压反应室6，对粉末进行加热、加压；
步骤3：粉末在爆炸产物和冲击波的作用下，被加热、加压，然后以较高的速度和温度进入二次增压室14；二次增压室14是电极末端7和枪体锥面8之间形成的一个腔室；电极1和枪体锥面8分别连接高压脉冲电源的正负极；
步骤4：通过向电极1和等离子枪体5接入脉冲电源13，在二次增压室14内产生不均匀电磁场，该不均匀电磁场可以聚焦电极1与金属材料10之间产生的等离子束流12，提高等离子束流12的流速、温度和能量密度；另外，电极和枪体接入的脉冲高电压可以是正极性、负极性和变极性；
步骤5：进入二次增压室14的粉末在等离子束流12的作用下熔化、汽化甚至电离，然后以较高的速度和温度轰击到金属材料10表面，通过合金化的形式在金属材料10表面形成一层纳米涂层11；
步骤6：在爆炸产生的冲击波、脉冲电流产生的电场、自身感应的脉冲磁场以及枪体锥面8的作用下，被压缩的等离子射流从等离子体枪口射出，作用在金属材料表面，对刚形成的纳米涂层再次进行轰击，使得纳米涂层和金属材料10表面熔合，形成致密的表面改性层；
步骤7：随后通入压缩空气强制冷却金属材料10表面，提高涂层的结合强度。
本实施例中，电极与金属材料之间的脉冲高压电，可以是正极性、反极性或变极性；
脉冲基值电流和峰值电流的切换，与小型枪体的爆炸保持同步，可以使爆炸过程处于基值电流阶段或者峰值电流阶段。
实施例1
对40Cr钢表面进行脉冲等离子爆炸处理，制备含碳涂层。制备过程中以钨棒作为阳极，钨棒长度为9mm。采用的电源电压为3.2kv，放电电容器的电容为800μF。输送粉末以及冷却金属材料表面采用的气体为氮气，小型爆炸枪内通入的是丙烷-丁烷的混合气。碳以粒径不超过5μm的石墨粉通过氮气流送入增压反应室，直至进入等离子束流内。
为了确保等离子体在金属材料表面处良好聚焦，设定电极底部距喷嘴底部的高度A＝18mm，喷嘴底部到金属材料表面的高度B＝40mm。图2是采用上述参数对40Cr钢进行处理后的不同区域分布图，表1是针对图2的不同区域中，表面层中W、C、N等元素的含量列表。在5次脉冲处理后，W、C、N渗入试样表面的深度可达20μm。
表1
实施例2
研究了工具钢6CrW2Si改性层不同深度处С、Ο、Si、Cr、W、Mn、Al元素含量，如图3所示；图3是实施例2中表面层不同深度区域分布图。表2是针对图3的表面层不同深度区域处С、Ο、Si、Cr、W、Mn、Al元素含量列表。
在该研究中，首先对试样表面进行淬火、回火处理，然后再进行脉冲等离子体处理。实验结果表明：该金属材料的基底(母材)硬度低，为49-50HRC；表面硬度高，为60-62HRC；材料的冲击韧性得到提高。
脉冲等离子体爆炸表面改性工艺中脉冲等离子体的能量密度足以将金属材料表面熔化。该实施例为了引入合金元素，采用的是钨钴碳化物电极和含有足量氮和碳的等离子体气。在电极底部距喷嘴底部的高度A＝18mm条件下，等离子束流的直径为15mm，采用2Hz的脉冲等离子，经过5次脉冲等离子体处理可以得到40～50μm厚的硬化层。同时金属材料表面被氧化，表面层中的氧含量达11％。上层碳含量达1.28％，是脉冲等离子体处理前的两倍。当分析深度增加到10μm时，钨的含量增加了3.63％，碳含量为1.2％。随着分析深度增加至40μm，钨和碳的含量分别增加至4.36％和2.14％。在脉冲等离子体处理后，表面层加入了钨和碳，表面硬度提高到了淬火钢的硬度。
表1是针对图2的不同区域中，表面层中W、C、N等元素的含量列表。在5次脉冲处理后，W、C、N渗入试样表面的深度可达20μm。
表2
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
尽管本文较多地使用了图中附图标记：电极1，绝缘块2，连接管3，小型爆炸枪4，等离子枪体5，增压反应室6电极末端7，枪体锥面8，粉末9，金属材料10，纳米涂层11，等离子束流12，脉冲电源13，二次增压室14等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (6)
1.一种适用于金属材料的脉冲等离子处理装置，其特征在于：包括等离子枪体(5)，等离子枪体(5)内形成有增压反应室(6)；沿着增压反应室(6)的轴线布设有电极(1)，电极(1)一端固定在绝缘体(2)上；电极(1)的底部形成有电极末端(7)，等离子枪体(5)的底部形成倾斜状的枪体锥面(8)，电极末端(7)与枪体锥面(8)之间形成有二次增压室(14)；电极(1)和枪体锥面(8)分别连接脉冲电源(13)的正负极；其中，等离子枪体(5)通过连接管(3)和小型爆炸枪(4)相连。
2.根据权利要求1所述的一种适用于金属材料的脉冲等离子处理装置，其特征在于：所述枪体锥面(8)的倾斜角度为30°～45°。
3.根据权利要求1所述的一种适用于金属材料的脉冲等离子处理装置，其特征在于：所述电极(1)为熔化或非熔化电极。
4.根据权利要求1所述的一种适用于金属材料的脉冲等离子处理装置，其特征在于：所述电极末端(7)距喷嘴底部的高度为A，喷嘴底部距金属材料(10)表面的高度B，其中B＞A。
5.一种如权利要求1-4任意所述的适用于金属材料的脉冲等离子处理装置的处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：利用压缩空气将含有C、N、W、Mo、Ti、Cr等元素的粉末送入增压反应室(6)内；
步骤2：通过小型爆炸枪(4)内的可燃气体爆炸；爆炸产生的高温、高压爆炸产物通过连接管(3)进入增压反应室(6)，对粉末进行加热、加压；
步骤3：粉末在爆炸产物和冲击波的作用下，被加热、加压，然后以较高的速度和温度进入二次增压室(14)；
步骤4：通过向电极(1)和等离子枪体(5)接入脉冲电源(13)，在二次增压室(14)内产生不均匀电磁场，该不均匀电磁场可以聚焦电极(1)与金属材料(10)之间产生的等离子束流，提高等离子束流的流速、温度和能量密度；
步骤5：进入二次增压室(14)的粉末在等离子束流(12)的作用下熔化、汽化甚至电离，然后以较高的速度和温度轰击到金属材料(10)表面，通过合金化的形式在金属材料(10)表面形成一层纳米涂层；
步骤6：在爆炸产生的冲击波、脉冲电流产生的电场、自身感应的脉冲磁场以及枪体锥面(8)的作用下，被压缩的等离子射流从等离子体枪口射出，作用在金属材料表面，对刚形成的纳米涂层再次进行轰击，使得纳米涂层和金属材料(10)表面熔合，形成致密的表面改性层；
步骤7：随后通入压缩空气强制冷却金属材料(10)表面，提高涂层的结合强度。
6.根据权利要求5所述的一种适用于金属材料的脉冲等离子处理装置的处理方法，其特征在于：所述电极(1)和等离子枪体(5)接入的脉冲电源(13)是正极性、负极性和变极性。
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