PL211181B1 - Sposób obróbki cieplno-chemicznej jonowej i urządzenie do obróbki cieplno-chemicznej jonowej - Google Patents

Description

(21) Numer zgłoszenia: 381920 (51) Int.Cl.

C23C 8/36 (2006.01) C23C 8/38 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 06.03.2007

Sposób obróbki cieplno-chemicznej jonowej i urządzenie do obróbki cieplno-chemicznej jonowej

	(73) Uprawniony z patentu:
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL
15.09.2008 BUP 19/08	(72) Twórca(y) wynalazku:
	JAN HEJNA, Wrocław, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
30.04.2012 WUP 04/12	(74) Pełnomocnik:
	rzecz. pat. Regina Kozłowska

PL 211 181 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki cieplno-chemicznej jonowej i urządzenie do obróbki cieplno-chemicznej jonowej metalowych elementów, w szczególności przeznaczone do utwardzania powierzchniowego stalowych części maszyn, urządzeń i środków transportu oraz narzędzi.

Obróbka cieplno-chemiczna jonowa metali i stopów metali polega na dyfuzyjnym nasycaniu w podwyż szonej temperaturze warstw powierzchniowych obrabianych elementów atomami róż nych pierwiastków dostarczanych do komory roboczej urządzenia w postaci gazowej i jest wspomagana przez wyładowanie jarzeniowe w gazie pod obniżonym ciśnieniem. Sposób ten nazywany bywa również obróbką jarzeniową lub plazmową i jest najczęściej wykorzystywany do azotowania, rzadziej do węgloazotowania, czy innych rodzajów obróbki. Obrabiany element umieszczany jest w komorze roboczej, do której, po wypompowaniu z niej powietrza, doprowadzany jest gaz roboczy. Najczęściej jest to mieszanina azotu i wodoru w przypadku azotowania i mieszanina azotu, wodoru i dwutlenku węgla lub metanu w przypadku węgloazotowania. Pomiędzy obrabiany element, który jest katodą, i otaczającą go anodę, którą może być ścianka komory roboczej, przykładane jest napięcie stałe lub impulsowe, wywołujące wyładowanie jarzeniowe o wymaganej gęstości prądu na powierzchni obrabianego elementu stanowiącego katodę. Typowe warunki podczas azotowania i węgloazotowania jonowego to ciśnienie gazu od 100 do 1000 Pa i napięcie od 500 do 1000 V oraz temperatura powierzchni obrabianego elementu od 400 do 600°C.

Sposób jonowego azotowania metali i ich stopów i urządzenia do jonowego azotowania metali i ich stopów znany jest z polskiego opisu patentowego nr 87885. Sposób polega na tym, ż e warstwę wierzchnią obrabianego przedmiotu nagrzewa się indukcyjnie łub płomieniowo i jednocześnie za pomocą wzbudnika indukcyjnego lub pierścieniowego palnika gazowego doprowadza się atmosferę gazową, która wytwarza w podwyższonej temperaturze jony azotu, przy czym przedmiot obrabiany i wzbudnik lub palnik obwodowy przesuwają się w stosunku do siebie w kierunku pionowym i doko ła osi pionowej. Sposób według wynalazku przeprowadza się za pomocą lawinowej jonizacji danej atmosfery przy ciśnieniu atmosferycznym, przy zastosowaniu źródła prądu stałego, przy czym przedmiot obrabiany łączy się z dodatnim biegunem źródła prądu, a wzbudnik indukcyjny lub palnik pierścieniowy łączy się z ujemnym biegunem źródła prądu. Urządzenie ma wzbudnik indukcyjny, wykonany z rurki zaopatrzonej w otwory promieniowe, połączony z przewodem do doprowadzania atmosfery gazowej z dowolnego typu generatora, oraz z pierścień otaczający przedmiot obrabiany, zaopatrzony w otwory promieniowe i połączony z przewodem do doprowadzania czynnika chł odzą cego.

Znany ze stosowania sposób grzania obrabianego elementu, polega na wykorzystaniu energii wyładowania jarzeniowego. Sposób ten wymaga bardzo ścisłej kontroli parametrów wyładowania, przy czym zarówno intensywność nasycania powierzchni obrabianego elementu pierwiastkami jak i temperatura procesu nie są niezależnie regulowane. Poza tym występują duże różnice temperatur na powierzchni obrabianego elementu oraz proces w początkowym stadium jest niestabilny.

Z opisów wynalazków US 4179618, US 4342918, US 4371787 znane są urzą dzenia do azotowania jonowego z grzaniem radiacyjno-konwekcyjnym. Zawierają one grzejniki oporowe umieszczone na zewnątrz anody służące do grzania obrabianego elementu. W rozwiązaniach tych grzejniki nagrzewają anodę, a tą następnie nagrzewa obrabiane elementy poprzez promieniowanie podczerwone i transport ciepł a przez gaz roboczy. Ten sposób grzania charakteryzuje się dużą bezwł adnoś cią oraz dużymi stratami ciepła.

Istota sposobu według wynalazku, polega na tym, że umieszczony w komorze roboczej obrabiany element podgrzewa się indukcyjnie za pomocą cewki indukcyjnej, przy czym obrabiany element umieszcza się wewnątrz cewki indukcyjnej.

Istota urządzenia według wynalazku, polega na tym, że wewnątrz komory roboczej jest osadzona cewka indukcyjna połączona z zasilaczem cewki indukcyjnej.

Korzystnie, jedna z końcówek cewki indukcyjnej jest podłączona elektrycznie do dodatniego bieguna zasilacza wyładowania jarzeniowego.

Korzystnie, obrabiany element umieszczany jest wewnątrz cewki indukcyjnej i podłączany elektrycznie do ujemnego bieguna zasilacza wyładowania jarzeniowego.

Korzystnym jest również to, że obrabiany element jest usytuowany wewnątrz cewki indukcyjnej.

Zaletą sposobu obróbki cieplno-chemicznej jarzeniowej według wynalazku jest to, że grzanie indukcyjne jest procesem bardzo szybkim, łatwym do regulacji oraz energooszczędnym, gdyż grzana jest tylko warstwa powierzchniowa obrabianego elementu. Zaletą jest również to, że pole magnetyczne

PL 211 181 B1 wytwarzane przez cewkę indukcyjną zwiększa prawdopodobieństwo jonizacji gazu, przez co zwiększa szybkość procesu obróbki cieplno-chemicznej oraz umożliwia zastosowanie niższego ciśnienia gazu.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji uwidoczniono na rysunku, który przedstawia urządzenie do obróbki cieplno-chemicznej w ujęciu schematycznym.

P r z y k ł a d 1

Sposób obróbki cieplno-chemicznej jonowej polega na tym, że obrabiany element 3 umieszcza się na izolującej podstawie 2 i podłącza przewodem elektrycznym 8 do zasilacza wyładowania jarzeniowego 6. Powietrze z komory roboczej usuwa się za pomocą pompy próżniowej 10. Następnie do komory roboczej wpuszcza się gazy robocze azot i wodór z butli 13 i 14. Przez cewkę indukcyjną przepuszcza się prąd przemienny. Po uzyskaniu odpowiedniego ciśnienia w komorze roboczej 1 i odpowiedniej temperatury obrabianego elementu 3 wytwarza się wyładowanie jarzeniowe pomiędzy cewką indukcyjną 4 i obrabianym przedmiotem 3. Po zakończeniu procesu obróbki cieplnochemicznej zasilanie cewki i wyładowania jarzeniowego zostaje wyłączone i komora zostaje napełniona gazem, np. azotem lub argonem. Po ostygnięciu obrabianego przedmiotu 3 zostaje on wyjęty z komory roboczej 1.

P r z y k ł a d 2

Sposób obróbki cieplno-chemicznej jonowej polega na tym, że obrabiany element 3 umieszcza się na izolującej podstawie 2 i podłącza przewodem elektrycznym 8 do zasilacza wyładowania jarzeniowego 6. Powietrze z komory roboczej 1 usuwa się za pomocą pompy próżniowej 10. Następnie do komory roboczej 1 wpuszcza się argon z butli 15. Po uzyskaniu odpowiedniego ciśnienia w komorze roboczej wytwarza się wyładowanie jarzeniowe pomiędzy cewką indukcyjną 4 i obrabianym przedmiotem Wyładowanie ma na celu oczyszczenie powierzchni obrabianego elementu 3. Po zakończeniu procesu oczyszczania powierzchni obrabianego elementu 3, wyłącza się zasilanie wyładowania jarzeniowego i usuwa się gaz z komory roboczej za pomocą pompy próżniowej 10. Następnie do komory roboczej 1 wpuszcza się gazy robocze azot i wodór butli 13 i 14. Przez cewkę indukcyjną 4 przepuszcza się prąd przemienny. Po uzyskaniu odpowiedniego ciśnienia w komorze roboczej 1 i odpowiedniej temperatury obrabianego elementu 3 wytwarza się wyładowanie jarzeniowe pomiędzy cewką indukcyjną 4 i obrabianym przedmiotem 3. Po zakończeniu procesu obróbki cieplno-chemicznej zasilanie cewki 4 i wyładowania jarzeniowego wyłącza się a komorę roboczą napełnia się gazem obojętnym, np. azotem lub argonem. Po ostygnięciu obrabiany przedmiot 3 wyjmuje się z komory roboczej 1.

P r z y k ł a d 3

Urządzenie do obróbki cieplno-chemicznej jonowej ma wewnątrz komory roboczej 1, na izolującej podstawie 2 umieszczony obrabiany element 3. Obrabiany element 3 jest otoczony przez uzwojenia cewki indukcyjnej 4 zasilanej z zasilacza cewki indukcyjnej 5. Cewka indukcyjna 4 spełnia również rolę anody podczas wyładowania jarzeniowego i jest podłączona dodatkowo do zasilacza wyładowania jarzeniowego 6 za pomocą przewodu 7. Obrabiany element 3 stanowi anodę i podczas wyładowania jarzeniowego jest podłączony do zasilacza wyładowania jarzeniowego 6 za pomocą przewodu 8. Do komory roboczej 1, za pomocą przewodu próżniowego 9, podłączona jest pompa próżniowa 10. Na przewodzie próżniowym 2, umieszczony jest zawór próżniowy 11. Do komory roboczej 1, za pomocą rurki 12, podłączone są butle 13, 14 i 15 z gazami. Na rurce 12 umieszczone są zawory dozujące gazy 16, 17 i 18. Liczba butli 13, 14 i 15 i zaworów dozujących 16, 17 i 18 zależy od liczby gazów stosowanych w procesie. Przewody cewki indukcyjnej 4 oraz przewód 8 podłączony do obrabianego elementu 3 przeprowadzone są przez ściankę komory roboczej 1 za pomocą próżnioszczelnych izolowanych przepustów elektrycznych 19, 20 i 21. W ściance komory roboczej 1 umieszczony jest również pirometr optyczny 22 służący do pomiaru temperatury powierzchni obrabianego elementu 3 i próżniomierz 23 służący do pomiaru ciśnienia w komorze 1.

Zamiast pirometru można użyć termopary dotykającej powierzchni obrabianego elementu 3.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób obróbki cieplno-chemicznej jonowej polegający na tym, że obrabiany element umieszcza się w komorze roboczej, do której po wypompowaniu powietrza doprowadza się gaz roboczy, po czym obrabiany element podgrzewa się i poddaje działaniu wyładowania jarzeniowego, znamienny tym, że umieszczony w komorze roboczej (1) obrabiany element (3) podgrzewa się indukcyjnie

   PL 211 181 B1 za pomocą cewki indukcyjnej (4), przy czym obrabiany element (3) umieszcza się wewnątrz cewki indukcyjnej (4).
2. 2. Urządzenie do obróbki cieplno-chemicznej jonowej, w którym obrabiany element umieszczony jest w próżniowej komorze roboczej połączonej przewodami z butlami zawierającymi gazy robocze, przy czym komora robocza wyposażona jest w próżniomierz oraz zasilacz wyładowania jarzeniowego, znamienne tym, że wewnątrz komory roboczej jest osadzona cewka indukcyjna (4) połączona z zasilaczem cewki indukcyjnej (5).
3. 3. Urządzenie, według zastrz. 2, znamienne tym, że jedna z końcówek cewki indukcyjnej (4) jest podłączona elektrycznie do dodatniego bieguna zasilacza wyładowania jarzeniowego (6).
4. 4. Urządzenie, według zastrz. 2, znamienne tym, że obrabiany element (3) umieszczany jest wewnątrz cewki indukcyjnej (4) i podłączany elektrycznie do ujemnego bieguna zasilacza wyładowania jarzeniowego (6).
5. 5. Urządzenie, według zastrz. 2, znamienne tym, że obrabiany element (3) jest usytuowany wewnątrz cewki indukcyjnej (4).