PT89910A - Heat treating metal workpieces in plasma flame - with temp. control by infrared sensor - Google Patents

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Frederick W Giacobbe
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Abstract

A metal workpiece is heat treated by moving it in the path of a plasma flame. It is rotated at a fast enough speed to prevent significant cooling between the point of heating in the plasma flame and a point where the surface temperature is measured. It is preferably moved alone the axis of rotation. Surface temperature is measured by a non-contact means, e.g. an infrared sensor. Soaking temperature is preferably maintained at about 600-1000 deg.C. The plasma flame is extinguished, and the workpiece quenched by spraying cooling fluid, e.g. liquefied gas onto the rotating surface.

Description

Descrição referente â patente de invenção de L'AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L' ETUDE ET L' EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE, francesa, industrial e comercial, com sede em 75, Quai d' Orsay, 75007 Paris, França, (inventor: Frederick W. Giacobbe, residente nos E,U.A.), para "PROCESSO PARA TRATAMENTO POR CALOR DE ME TAIS OU LIGAS METÁLICAS NUMA CHAMA DE PLÁSTICO TÉRMICA".Description relating to the patent of invention of L'AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L 'ETUDE ET L' EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE, French, industrial and commercial, established at 75, Quai d 'Orsay, 75007 Paris, France, (inventor : Frederick W. Giacobbe, Resident E, UA), " PROCESS FOR HEAT TREATMENT OF METALS OR METALLIC ALLOYS IN A THERMAL PLASTIC FLAME. &Quot;.

DESCRIÇÃODESCRIPTION

ANTECENTES DA INVENÇÃO O tratamento térmico de metais e ligas metálicas é uma tecnologia de processamento industrial muito antiga e importante que é necessária para a produção de uma gama muito vasta de produtos necessários. Em particular, uma parte importante desta tecnologia refere-se a técnicas de endur^ cimento de superfície e/ou endurecimento completo as quais originam superfícies duras, resistentes ao desgaste e fadiga sobrepostas (no caso de endurecimento de superfície) ou comple tamente (no caso de endurecimento completo) num objecto plano duro mas relativamente macio ou de liga de aço. Os métodos comuns de obter, correntemente, estes resultados envolvem a utilização de endurecimento de camada, endurecimento por chama - 1 -BACKGROUND OF THE INVENTION Heat treatment of metals and metal alloys is a very old and important industrial processing technology which is required for the production of a very wide range of products required. In particular, a major part of this technology relates to surface hardness and / or full hardening techniques which give rise to hard surfaces, wear resistant and overlapping fatigue (in the case of surface hardening) or completely (in the case of of complete hardening) in a hard but relatively soft or alloy steel flat object. Common methods of currently obtaining these results involve the use of layer hardening, flame hardening,

química, ou a utilização de endurecimento por indução. Ver por exemplo "Principie of Heat Treatment" por Georges KRAUS -- ASM - 1980 -Capítulo 10 - ou "Practical Heat Treating" por Howard E. Boyer - ASM - 1984 - Capítulo 11. 0 endurecimento de camada utiliza-se, tipicamente, com a finalidade de endurecer apenas as camadas superficiais de um objecto particular, de metal ou de liga metálica. 0 objecto específico é, normalmente, imerso num meio de aquecimento tal como chumbo fundido ou um banho de sal fundido. Este passo é seguido de enchimento que origina uma camada exterior dura. Este método de endurecimento i grandemente limitado pelo desenho da peça (isto é, tem que ser aquecida a peça completa) e por limitações inerentes das temperaturas do banho de aquecimento. Estas limitações evitam o aquecimento extremamente rápido e localizado em zonas ou áreas específicas de um objecto a ser tratado térmicamente. 0 endurecimento por chama envolve a utilização de uma chama produzida por uma reacção química entre um gás combustível apropriado e oxigénio. Os gases combustíveis comummente utilizados são o hidrogénio ou acetileno. Utilizando esta técnica, aquecem-se os objectos a serem sele-ctivamente endurecidos, na chama durante um período apropriado de tempo, e então arrefecem-se rapidamente. A principal limitação desta técnica é que a temperatura da chama química limita a velocidade de transferência de calor para o objecto metálico e assim a velocidade de aumento de temperatura da amostra é limitada. Este efeito tende a permitir a transmissão sobre-aquece algumas secções da amostra que estão adjacentes â zona a tratar termicamente.chemical properties, or the use of induction hardening. See for example " Principie of Heat Treatment " by Georges KRAUS - ASM - 1980 - Chapter 10 - or "Practical Heat Treating" by Howard E. Boyer ASM 1984 Chapter 11. Layer hardening is typically used for the purpose of hardening only the surface layers of a particular metal or metal alloy object. The specific object is usually immersed in a heating medium such as molten lead or a molten salt bath. This step is followed by filling which gives rise to a hard outer layer. This hardening method is greatly limited by the design of the part (i.e., it has to be heated to the entire part) and by inherent limitations of the temperatures of the heating bath. These limitations prevent extremely rapid and localized heating in specific areas or areas of an object to be heat-treated. Flame hardening involves the use of a flame produced by a chemical reaction between an appropriate combustible gas and oxygen. The commonly used fuel gases are hydrogen or acetylene. Using this technique, the objects to be selectively cured in the flame for an appropriate period of time are warmed up and then cooled rapidly. The main limitation of this technique is that the temperature of the chemical flame limits the rate of heat transfer to the metal object and thus the rate of increase of temperature of the sample is limited. This effect tends to allow the transmission to overheat some sections of the sample which are adjacent to the zone to be thermally treated.

Quando se utiliza o processo de induc-ção, o modelo não endurecido de metal ou liga metálica aquece-se indirectamente por intermédio de correntes induzidas no modelo por uma bobina externa de indução electromagnética. Existe um numero significativo de desvantagens associadas com esta tecnologia. Por exemplo, é difícil conseguir-se o controle localizado da temperatura utilizando a técnica de endurecimento por inducção, especialmente em partes com extremidades pronunciadas ou com espessuras variáveis.When using the induction process, the uncured metal or metal alloy model is heated indirectly by means of currents induced in the model by an external electromagnetic induction coil. There are a number of significant disadvantages associated with this technology. For example, localized temperature control is difficult to achieve using the induction hardening technique, especially in parts with pronounced ends or varying thicknesses.

Uma vez que o aquecimento por inducção 2Since induction heating 2

depende de correntes induzidas dentro dos modelos metálicos específicos, alguns objectos, (devido â sua forma geométrica) não podem ser eficazmente endurecidos, utilizando esta técnica. Em adição, objectos de diferentes formas ou tamanhos necessitem de bobinas de indução especialmente projéctadas para cada um deles para que o processo de endurecimento por indução seja optimizado. Nalguns casos, os custos associados com o projecto e fabrico destas bobinas especiais de indução pode ser proibitivo, especialmente se os objectos a endurecer não são fabricados em grandes quantidades.depends on induced currents within specific metallic models, some objects (due to their geometric shape) can not be effectively hardened using this technique. In addition, objects of different shapes or sizes require specially designed induction coils for each of them so that the induction hardening process is optimized. In some cases, the costs associated with designing and manufacturing these special induction coils may be prohibitive, especially if the articles to be cured are not manufactured in large quantities.

SUMÃRIO E OBJECTIVOS DA INVENÇÃOSUMMARY AND OBJECTIVES OF THE INVENTION

Muitas das limitações atrás referidas, podem vencer-se por intermédio da utilização de um sistema de tratamento por aquecimento por plasma térmico apropriadamente projectado e controlado. A presente invenção, aqui de£ crita, descreve um tal sistema que se pode utilizar para o tratamento térmico de uma grande variedade de objectos especí ficos metálicos e/ou de ligas metálicas. Este sistema de pias ma térmico utiliza uma "chama" de plasma de argon ou azoto á pressão ambiente para facilitar o endurecimento de superfície ou o endurecimento completo de modelos específicos de metal e/ou de ligas metálicas. Este sistema tem várias vantagens sobre os métodos atrás descritos assim como vantagens sobre as técnicas convencionais de endurecimento em fornalha.Many of the above limitations can be overcome by the use of an appropriately designed and controlled thermal plasma heat treatment system. The present invention, described herein, describes such a system which can be used for the heat treatment of a wide variety of specific metal objects and / or metal alloys. This thermal mains sink system uses a " flame " of argon plasma or nitrogen at ambient pressure to facilitate surface hardening or complete hardening of specific metal and / or metal alloy models. This system has several advantages over the methods described above as well as advantages over conventional furnace hardening techniques.

Uma destas vantagens envolve o facto de que se pode utilizar um sistema de plasma térmico adequadamen te projectado e controlado para se obter um controlo de tempe ratura muito preciso e localizado em vários tipos de objectos metálicos que têm de ser tratados; térmicamente. Outra vantagem desta técnica envolve as velocidades extremamente rápidas de aquecimento da amostra devidas ãs temperaturas extrema mente elevadas que se podem produzir dentro da "chama" de plasma. Por exemplo, obtêm-se facilmente temperaturas de "chama" de plasma que excedem 10.0009C enquanto que as temperaturas típicas de banhos de sal fundido ou as temperaturas de chama química raramente excedem 3.300QC. Devido às temperaturas muito elevadas, que se podem atingir numa "chama" de 3One of these advantages involves the fact that a suitably designed and controlled thermal plasma system can be used to obtain a very precise temperature control and located on various types of metal objects that have to be treated; thermally. Another advantage of this technique involves extremely fast sample heating rates due to the extremely high temperatures that can be produced within the " flame " of plasma. For example, temperatures of " flame " of plasma exceeding 10,000 ° C whereas typical temperatures of molten salt baths or chemical flame temperatures rarely exceed 3,300 ° C. Due to the very high temperatures which can be reached in a " flame " of 3

plasma, os objectos de metal ou de ligas metálicas podem aque cer-se extremamente rápido numa "chama" de plasma. Contudo, o fenómeno de sobreaquecimento e de fusão localizado associado pode eliminar-se completamente, reduzindo a temperatura da "chama" de plasma logo que o objecto de metal ou de liga metá lica a tratar atinja a sua temperatura de saturação. Este ajustamento é feito facilmente por regulação manual ou automá tica da entrada de energia eléctrica no gerador da "chama" de plasma. Esta temperatura de saturação mantém-se, de preferên cia, entre cerca de 600QC e 1000QC.plasma, metal or metal alloy objects can heat up extremely fast in a " flame " of plasma. However, the phenomenon of associated overheating and localized melting can be completely eliminated by reducing the temperature of the " flame " of plasma as soon as the metal or metal alloy object to be treated reaches its saturation temperature. This adjustment is easily done by manual or automatic adjustment of the electric power input to the " flame " of plasma. This saturation temperature is preferably maintained between about 600 ° C and 1000 ° C.

Podem também utilizar-se um número muito pequeno de modificações do sistema de plasma com a finalidade de facilitar o tratamento térmico de um grande número de mode. los com vasta gama de diferentes formas geométricas e tamanhos. Em adição, podem utilizar-se sistemas múltiplos de plasma simultâneamante afim de tratar, eficientemente, pelo calor, tiras relativamente largas de material em modelos grandes. Quando se utilizam sistemas múltiplos, podem aquecer -se independentemente e simultâneamente, espessuras variáveis de material, dentro do mesmo modelo, sob as mesmas ou diferentes condições de temperatura.A very small number of modifications of the plasma system may also be used in order to facilitate the heat treatment of a large number of modes. with wide range of different geometric shapes and sizes. In addition, multiple plasma systems can be used simultaneously to efficiently heat-treat relatively large strips of material in large models. When multiple systems are used, variable thicknesses of material within the same model may be independently and simultaneously heated under the same or different temperature conditions.

Regra geral, o aquecimento extremamente rápido de controlado (apenas possível com um sistema de plasma térmico) seguido de arrefecimento apropriado e/ou recozimento ou têmpera, permite a produção de uma vasta gama de partes mecânicas metálicas adequadas, as quais são difíceis, se não impossíveis, de tratar eficientemente pelo calor, utilizando qualquer outra técnica. 0 arrefecimento das peças de trabalho pode executar-se imediatamente, logo a seguir â extinção da chama de plasma, por exemplo, por aspersão de um líquido tal como água ou um gás liquefeito, tal como azoto líquido, argon ou dióxido, de carbono, enquanto a peça de trabalho está ainda em rotação e/ou translação no seu suporte. 0 arrefecimento pode também realizar-se depois de parar a rotação e/ou translação da referida peça, por imersão da mesma num líquido. 0 processo de acordo com esta invenção proporciona um meio para tratamento térmico de metais e/ou ligas metálicas numa "chama" de plasma com a finalidade de . 4 .Generally, extremely rapid heating of the controlled (only possible with a thermal plasma system) followed by appropriate cooling and / or annealing or quenching, allows the production of a wide range of suitable metal mechanical parts, which are difficult, if not impossible to treat efficiently by heat, using any other technique. Cooling of the workpieces may be carried out immediately after the plasma flame is extinguished, for example by spraying a liquid such as water or a liquefied gas, such as liquid nitrogen, argon or carbon dioxide, while the workpiece is still rotating and / or translating in its holder. Cooling may also take place after the rotation and / or translation of said part has stopped by immersing it in a liquid. The process according to this invention provides a means for heat treatment of metals and / or metal alloys in a " flame " of plasma for the purpose of. 4.

endurecer qualquer espessura pré-determinada do modelo ou endurecer completamente o modelo. Um aspecto adicional deste processo é que se pode utilizar para aquecer modelos metálicos adequados, muito rapidamente, minimizando, assim o aquecimento prejudicial de regiões adjacentes no mesmo modelo, de vido â condução. 0 processo é capaz, também, de produzir con trole excelente da temperatura em modelos aquecidos assim como controle excelente em profundidade na camada endurecida.harden any predetermined thickness of the model or completely harden the model. An additional aspect of this process is that it can be used to heat suitable metal models very quickly, thereby minimizing harmful heating of adjacent regions in the same model from being conducted. The process is also capable of producing excellent temperature control in heated models as well as excellent depth control in the hardened layer.

Em adição, este processo é relativamente fácil de se adaptar âs várias formas e tamanhos de peças de trabalho e é capaz de proporcionar propriedades micro - estruturais excelentes em áreas selectivamente endurecidas das peças de trabalho.In addition, this process is relatively easy to adapt to the various shapes and sizes of workpieces and is capable of providing excellent microstructural properties in selectively hardened areas of the workpieces.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO 0 processo de acordo com esta invenção envolve a utilização de um sistema de plasma térmico de tempe ratura elevada, à pressão ambiente, que se pode utilizar para facilitar o endurecimento de superfície e o endurecimento com pleto de amostras de ensaio específicas de liga metálica. 0 aparelho desta invenção pode adaptar-se, para criar um plasma térmico de temperatura muito elevada dentro de um fluxo de gás argon. Podem, no entanto, utilizar-se outros gases puros ou misturas de gases em substituição do argon. Durante a utjL lização deste sistema, dirige-se uma "chama" de plasma de argon a temperatura elevada, contra a superfície exterior de um modelo de ensaio de liga metálica, em rotação. Controla-se a temperatura de superfície do modelo de ensaio por intermédio de um sensor de temperatura infra - vermelho sem contacto. A temperatura de ensaio controla-se por variação do caudal de gás inerte através do gerador de plasma e/ou por variação da entrada da energia eléctrica no gerador de plasma. Isto significa que o controle de temperatura se pode utilizar para obter uma regulação muito precisa das temperaturas do modelo durante a fase de aquecimento e/ou saturação de qualquer operação específica de tratamento térmico.SUMMARY OF THE INVENTION The process according to this invention involves the use of a high temperature thermal plasma system at ambient pressure which may be used to facilitate surface hardening and full hardening of specific test samples of alloy. The apparatus of this invention may be adapted to create a very high temperature thermal plasma within an argon gas stream. However, other pure gases or gas mixtures may be used instead of argon. During the use of this system, a " calls " of argon plasma at elevated temperature against the outer surface of a rotating alloy test pattern. The surface temperature of the test model is monitored by means of a non-contact infrared temperature sensor. The test temperature is controlled by varying the flow rate of inert gas through the plasma generator and / or by varying the input of the electric power in the plasma generator. This means that the temperature control can be used to obtain very precise setting of the model temperatures during the heating and / or saturation phase of any specific heat treatment operation.

De acordo com uma forma de realização preferencial, esta invenção proporciona um método de tratamen to térmico de uma peça de trabalho de metal, numa chama de 5 %According to a preferred embodiment, this invention provides a method of thermally treating a metal workpiece in a flame of 5%

plasma gerada por intermédio de geração de plasma, compreendeu do os passos de: - movimento da peça de trabalho no percurso da chama de plasma. - rotação da peça de trabalho a uma velocidade sufidaitaiEnte rápida para que não ocorra arrefecimento significativo entre a posição em que a referida peça de trabalho é aquecida na chama de plasma e a posição exigida para medir a temperatura de superfície por intermédio de uma medição de temperatura de superfície sem contacto; - ignição do meio gerador de plasma afim de gerar a chama de plasma; - controle da temperatura da chama de plasma e assim da temperatura de superfície da peça de trabalho por intermédio de meios de medição sem contacto de temperatura da superfície, afim de manter a velocidade deseja da de aquecimento da amostra e a temperatura desejada de saturação da peça de trabalho, - extinção da chama de plasma; - arrefecimento da peça de trabalho.plasma generated by means of plasma generation, comprises the steps of: - movement of the workpiece in the course of the plasma flame. rotation of the workpiece at a sufficiently rapid rate so that there is no significant cooling between the position in which said workpiece is heated in the plasma flame and the position required to measure the surface temperature by means of a temperature measurement non-contact surface; - ignition of the plasma generating medium in order to generate the plasma flame; - control of the plasma flame temperature and thus of the surface temperature of the workpiece by means of non-contact surface temperature measuring means in order to maintain the desired heating rate of the sample and the desired saturation temperature of the workpiece - extinction of the plasma flame; - cooling of the workpiece.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS A figura 1, é uma vista lateral esquemática com uma parte da secção em corte do aparelho de processamento de plasma térmico para utilização no endurecimento de superfície e endurecimen to completo de acordo com esta invenção, A figura 2, é uma vista de topo com uma parte da secção em corte do aparelho de acordo com a figura 1.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a schematic side view with a cross-sectional view of the thermal plasma processing apparatus for use in surface hardening and full hardening according to this invention, Figure 2 is a view with a portion of the cross-section of the apparatus according to figure 1.

DESCRIÇÃO PORMENORIZADA DA INVENÇÃO A figura 1 ilustra um dispositivo de processamento de plasma térmico de acordo com esta invenção, 6DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Figure 1 shows a thermal plasma processing device according to this invention,

compreendendo um meio gerador de chama de plasma 100, um recjL piente de tratamento térmico 200, um sensor de temperatura In fra - vermelho 300 e o meio de ventilação de gás 400. O meio gerador de chama de plasma 100 inclui vim recipiente de cátodo 7 no qual o cátodo 11 se coloca e se mantém por inter médio de uma flange de suporte 9, a qual se liga, através do anel de injecção-de gás do plasma 8 ao recipiente 7. A entra da de gás do plasma faz-se pelo anel 8, que não está represen tada no desenho. 0 meio de suporte 11 alinhado coaxialmente com o recipiente 7 determina um canal interno 30 alinhado coa xialmente com o cátodo 11 no qual o gás de plasma flui, e canais externos 31 e 32 ligados respectivamente âs entradas de água 4,40 e às saídas de água 5,50 para arrefecer o referido canal interno 30. A entrada de água 41 e a saída 51 servem também para arrefecer internamente o cátodo 11.comprising a plasma flame generator means 100, a heat treatment receiver 200, an infrared temperature sensor 300 and the gas venting means 400. The plasma flame generator means 100 includes a cathode vessel 7 in which the cathode 11 is positioned and maintained by means of a support flange 9, which is connected through the gas injection ring of the plasma 8 to the vessel 7. The plasma gas inlet is made by the ring 8, which is not shown in the drawing. The carrier means 11 aligned coaxially with the container 7 determines an inner channel 30 aligned coaxially with the cathode 11 in which the plasma gas flows, and outer channels 31 and 32 respectively connected to the water inlets 4.40 and to the water 5,50 to cool said inner channel 30. The water inlet 41 and outlet 51 also serve to cool the cathode 11 internally.

Uma flange adaptadora faz a ligação entre a saída 33 do referido canal 30 e o recipiente de tratamento térmico 200, sendo a referida flange ligada também ao cabo do ânodo 15 e sendo assim o ânodo de alta voltagem. A chama de plasma 21 gera-se entre o cátodo 11 e o ânodo 6 e extende-se a peça de trabalho 19 a tratar a qual é representada como um modelo oco. Este modelo prende-se rotativamente aos aneis de suporte 18, 38 e depois coloca-se no percurso da chama de pias ma. 0 compartimento 200 inclui um tubo 56 ligado â válvula de drenagem de arrefecimento 16 a qual, por seu turno se liga ao tubo de fluido de arrefecimento 54,55, afim de permitir o arrefecimento da peça de trabalho imediata mente depois de se apagar a chama ou mais tarde.An adapter flange connects the outlet 33 of said channel 30 to the heat treatment vessel 200, said flange being also connected to the anode cable 15 and thus being the high voltage anode. The plasma flame 21 is generated between the cathode 11 and the anode 6 and the workpiece 19 to be treated is extended which is shown as a hollow model. This pattern rotatably attaches to the support rings 18, 38 and is then placed in the path of the mains flame. The housing 200 includes a tube 56 connected to the cooling drain valve 16 which in turn is connected to the cooling fluid pipe 54, 55 in order to allow the workpiece to cool immediately after the flame is extinguished or later.

Os meios I.V. de medição de temperatura localizam-se acima da amostra, quase em frente do tubo 56. O sensor I.V. de temperatura 1 liga-se ao fornecedor de energia remoto (não representado na figura) pelo cabo 2. Um reves timento cilíndrico ôco 60 liga-se ao recipiente 200 numa extremidade e a um segundo revestimento cilíndrico ôco 65 na ou tra extremidade a qual se liga, a seguir, ao sensor I.V. 1. Proporciona-se um envolucro com água 66 entre o primeiro e o segundo revestimento 60, 65 para arrefecer o gás entre o reci 7The temperature measuring means IV is located above the sample, almost in front of the tube 56. The temperature sensor 1 is connected to the remote energy supplier (not shown in the figure) by the cable 2. A cylindrical hollow 60 connects to the container 200 at one end and to a second hollow cylindrical coating 65 on the end of which is then attached to the IR sensor 1. A wrapping is provided with water 66 between the first and the second coating 60 , 65 to cool the gas between the recycle 7

piente 200 e o sensor I.V. 1. A figura 2 é a vista de topo do aparelho da fig. 1 em que as mesmas referências indicam o§ mesmos dispo sitivos. A peça de trabalho 19 (ou modelo) roda entre dois aneísde suporte 18, 38 e prende-se através dos meios de ligação 22 a um motor D.C. de velocidade variável 24, incluindo meios (não representados no desenho) para variarem a velocidade de rotação do referido modelo de acordo com as necessidades do processo.and the I.V. sensor 1. FIG. 2 is the top view of the apparatus of FIG. 1 in which the same references indicate the same devices. The workpiece 19 (or template) rotates between two support anisols 18, 38 and is secured through the attachment means 22 to a variable speed DC motor 24, including means (not shown in the drawing) for varying the speed of rotation of the model in accordance with the needs of the process.

EXEMPLOS 0 aparelho e processo desta invenção aqui descritos ensaiaram-se em vários modelos reais de ligas metálicas. Estes modelos foram feitos de aço E 52100 uma vez que este tipo de aço pode ser eficazmente endurecido pelo processo de indução. EXEMPLO 1EXAMPLES The apparatus and process of this invention described herein were tested in various actual metal alloy models. These models were made of E 52100 steel since this type of steel can be effectively hardened by the induction process. EXAMPLE 1

Os modelos iniciais de ensaio executaram -se a partir de matéria prima terminada a quente, em forma de anéis - esféricos de 1,27 cm de diâmetro externo. Cortaram--se cada um destes modelos de ensaio em comprimentos de 15,2 cm. Aproximadamente 0,02 cm de material da superfície deste modelo transformou-se, também afim de remover imperfeições micro - estruturais devidas ao processo de fabrico utilizado para formar este material. Trataram-se termicamente vários destes modelos numa "chama" de plasma de argon puro produzida utilizando o equipamento ilustrado nas Figuras 1 e 2. Contudo, modificou-se o conjunto de suporte do modelo para prender as barras de 1,27 cm de diâmetro externo executadas para estes ensaios.The initial test models were run from hot-finished raw material in the form of 1.27 cm outer diameter spherical rings. Each of these test specimens were cut into 15.2 cm lengths. Approximately 0.02 cm of surface material of this model has been transformed, also in order to remove micro-structural imperfections due to the manufacturing process used to form this material. Several of these models were heat treated in a " flame " of pure argon plasma produced using the apparatus shown in Figures 1 and 2. However, the template support assembly was modified to attach the 1.27 cm OD bars performed for these assays.

Durante esta avaliação, as barras de ensaio de 1,27 cm de diâmetro externo rodaram-se a aproximadamen te 10 rev./seg. afim de garantir o aquecimento uniforme do modelo . 8 *During this evaluation, the 1.27 cm outer diameter test rods rotated to approximately 10 rev./sec. in order to guarantee the uniform heating of the model. 8 *

Utilizou-se argon puro, a um caudal de aproximadamente 100 SLPM (litros padrão por minuto), como gás de plasma. Utilizou-se um caudal de gás argon adicional de cerca de 12SLPM para purgar o percurso óptico entre o sensor de infra - verme lhos e a superfície do modelo de ensaio em rotação. As necejs sidades em energia eléctrica dependiam dos caudais do gás de plasma, da geometria do sistema, das perdas de calor com o exterior e da água de arrefecimento, e das velocidades rápidas de aquecimento escolhidas para esta série de ensaios.Pure argon was used, at a flow rate of approximately 100 SLPM (standard liters per minute), as plasma gas. An additional argon gas flow of about 12SLPM was used to purge the optical path between the infrared sensor and the surface of the rotating assay model. The electrical power requirements depended on the plasma gas flow rates, the system geometry, the losses of heat with the outside and the cooling water, and the fast heating rates chosen for this series of tests.

JJ

I A necessidade de energia de entrada do plasma inicial era de cerca de 10 KW (100 amps a 100 volts). Sob estas condições, as amostras de liga de aço de 1,27 cm de diâmetro externo apresentavam um aumento de temperatura quase linear desde a temperatura ambiente ate 850 + 59C durante aproximadamente 30 seg. As amostras de ensaio mantiveram-se ou saturaram-se a 850 + 59C por variação dos períodos de tempo, diminuindo manualmente a entrada de corrente que mantinha a "chama" de plasma. A necessidade de energia durante a fase de saturação era de cerca de 9 KW (90 amps a 100 volts). Esta energia eléc trica foi necessária para manter a temperatura da amostra a 850 + 5QC e simultaneamente (compensar, as inerentes perdas de calor associadas com a configuração experimental do aparelho e com os parâmetros de operação. Depois de cada período de saturação, cortou-se o fornecimento de energia do plasma e os modelos de ensaio, quentes e em rotação arrefeceram-se rapida mente em água. Os resultados obtidos de dois dos modelos tra tados como atrás descrito apresentam-se na Tabela 1. Pode ve rificar-se que se proporcionou endurecimento excelente e uniforme nestes dois modelos. A dureza através das zonas afecta das pelo calor nestes dois modelos era superior a 60 na Escala C de Rockwell. A microestrutura nas zonas afectadas pelo calor era excelente e todas as propriedades físicas eram equiva lentes ou melhores do que as obtidas utilizando um processo de endurecimento de tipo indução. EXEMPLO 2The initial plasma input power requirement was about 10 KW (100 amps at 100 volts). Under these conditions, samples of 1.27 cm outer diameter steel alloy showed a near linear temperature increase from room temperature to 850 ± 59 ° C for approximately 30 sec. The test samples were maintained or saturated at 850 ± 59 ° C by varying the time periods, manually decreasing the current input which kept the " flame " of plasma. The power requirement during the saturation phase was about 9 kW (90 amps to 100 volts). This electrical energy was required to maintain the sample temperature at 850 ± 5 ° C and simultaneously (compensate for the inherent heat losses associated with the experimental setup of the apparatus and the operating parameters. After each saturation period, the plasma energy supply and the hot and rotating test models were rapidly cooled in water. The results obtained from two of the models treated as described above are shown in Table 1. It can be seen that provided excellent and uniform hardening in these two models.The hardness through the heat affected zones in these two models was greater than 60 on the Rockwell Scale C. The microstructure in the heat affected areas was excellent and all physical properties were equivalent or better than those obtained using an induction type hardening process.

Executaram-se modelos maiores do mesmo 9Larger models of the same 9

) aço a partir de matéria prima sólida com 2,54 cm de diâmetro externo. Endureceram-se também estes modelos utilizando o sistema de plasma térmico aqui descrito. Excepto para a entrada de energia eléctrico utilizada durante as fases de aque cimento inicial da amostra, a maior parte das condições de operação utilizadas durante o tratamento destes modelos eram aproximadamente idênticas âs condições de operação utilizados para tratamento térmico dos modelos de 1,27 cm de diâmetro ex terno atrás descritas. Contudo, os modelos de 2,54 cm de dia metro externo aqueciam-se e saturavam-se a 870 + 5QC. Estes modelos demoravam, também, mais tempo a atingir a temperatura de saturação devido âs suas maiores massas. Por exemplo, aqueceu-se uma destas amostras de 300 a 8702C em cerca de 45 seg. Um outro modelo idêntico aqueceu-se de 370' a 8702C em cerca de 81 seg.. A razão principal para a diferença signifi cativa nestas velocidades de aquecimento relaciona-se com o facto de se terem utilizado diferentes entradas de energia electríca de plasma durante as fases iniciais de aquecimento destas amostras. Os resultados dos ensaios obtidos de dois destes modelos sólidos de 2,54 cm de diâmetro externo apresen tam-se na Tabela 2. Verificou-se que se obteve excelente endurecimento através das zonas tratadas termicamente nestas du as amostras. Contudo, não se obteve endurecimento completo na amostra saturada a 870 + 5QC durante apenas 10 seg., mas na outra amostra obteve-se endurecimento completo. Isto demonstra nitidamente que a variável tempo se pode utilizar para controlar a espessura da camada endurecida quando este processo se aplica adequadamente a modelos apropriados de ligas metá liças. Isto é um aspecto importante deste processo. EXEMPLO 3) steel from solid raw material with 2.54 cm of external diameter. These models were also hardened using the thermal plasma system described herein. Except for the electrical energy input used during the initial heating phases of the sample, most of the operating conditions used during the treatment of these models were approximately identical to the operating conditions used for heat treatment of the 1.27 cm diameter described above. However, the 2.54 cm models of the outside meter heated and saturated at 870 + 5 ° C. These models also took longer to reach the saturation temperature due to their larger masses. For example, one of these samples was heated from 300 to 870Â ° C in about 45 sec. Another similar model was heated from 370 ° to 870 ° C by about 81 sec. The main reason for the significant difference in these heating rates relates to the fact that different inputs of plasma electric energy have been used during the initial heating phases of these samples. The results of the tests obtained from two of these 2.54 cm external diameter outer models are shown in Table 2. It was found that excellent toughness was obtained through the thermally treated zones in these samples. However, complete hardening in the saturated sample at 870 ± 5 ° C was not obtained for only 10 sec, but in the other sample complete hardening was obtained. This clearly demonstrates that the time variable can be used to control the thickness of the cured layer when this process is suitably applied to appropriate models of metal alloys. This is an important aspect of this process. EXAMPLE 3

Executou-se uma série adicional de modelos ocos, de liga de aço, de 2,54 cm de diâmetro externo e ensaiaram-se utilizando o aparelho e processo desta invenção. Estes modelos foram também executados a partir da mesma barra de aço E52100 utilizada para fazer os modelos sólidos. 10An additional series of hollow steel alloy models, 2.54 cm in OD were run and tested using the apparatus and process of this invention. These models were also run from the same E52100 steel bar used to make the solid models. 10

) A secção central 6ca destas barras tinha um diâmetro interno (1.0.) de 1,27 cm. 0 comprimento desta secção central ôca prolongava-se para além da zona centralmente aquecida exposta â "chama” de aquecimento de plasma. As Figuras 1 e 2 mostram também uma boa representação da configuração do aparelho utilizado para tratar estas amostras. As condições de operação eram também quase idênticas às descritas atrás com excepçao da entrada de energia eléctrica do plasma durante as fases iniciais de aquecimento destas amostras. Devido principalmen te a estas diferenças na entrada de energia eléctrica do plas^ ma, estas amostras foram aquecidas da temperatura ambiente até 870 + 5QC em cerca de 100 seg. Os resultados do ensaio obtidos de dois destes modelos de ensaio ôcos apresentam-se na Tabela 3. Estes resultados do ensaio, demonstram que se pode obter o endurecimento completo dentro de uma região selecionada e bem definida em modelos ôcos. 0 facto das regiões vizinhas poderem permanecer macias e resistentes é outra vantagem importante associada com este processo.) The central section 6ca of these bars had an inner diameter (1.0) of 1.27cm. The length of this central hollow section extended beyond the centrally heated zone exposed to the "plasma heating flame." Figures 1 and 2 also show a good representation of the configuration of the apparatus used to treat these samples. The operating conditions were also almost identical to those described above with the exception of the electric power input of the plasma during the initial heating phases of these samples. Due primarily to these differences in the electrical energy input of the plasma, these samples were warmed from room temperature to 870 ± 5 ° C in about 100 sec. The test results obtained from two of these hollow test models are set forth in Table 3. These test results demonstrate that complete hardening can be obtained within a selected and well defined region in hollow models. The fact that neighboring regions can remain soft and resilient is another important advantage associated with this process.

1111

TABELA 1TABLE 1

RESULTADOS DE TRATAMENTO TÉRMICO DE PLASMA UTILIZANDO MODELOS SÕLIDOS DE LIGA DE AÇO DE 1,27 CM DE DIÂMETRO EXTERNO AMOSTRA 1 AMOSTRA 2 Tempo de saturação 850 + 52C (sec) 10 30 Comprimento da zona superficial externa endurecida (cm) 1.97 1.97 Comprimento da zona endurecida no centro do modelo (cm) 1.76 1.84 Dureza Interior da zona tratada térmicamente (RC Escala) &gt; 60 &gt;60 Dureza Exterior da zona tratada térmicamente (RC Escala) 4 10 &lt;Í10 12 -RESULTS OF THERMAL TREATMENT OF PLASMA USING SOLID MODELS OF STEEL ALLOY OF 1.27 CM OF EXTERNAL DIAMETER SAMPLE 1 SAMPLE 2 Saturation time 850 + 52C (sec) 10 30 Length of hardened outer surface area (cm) 1.97 1.97 Length of zone hardened at the center of the model (cm) 1.76 1.84 Hardness Inside the heat treated zone (RC Scale) &gt; 60> 60 External hardness of the thermally treated zone (RC Scale) 4 10 <10> 10 -

TABELA 2 RESULTADOS DO TRATAMENTO TÉRMICO POR PLASMA UTILIZANDO MODELOS SÓLIDOS DE LIGA DE AÇO DE D.E. 2,54 cm AMOSTRA 1 AMOSTRA 2 Tempo de saturação 850 + 52C (sec) 10 300 Comprimento da zona superficial externa endurecida (cm) 2.2 6.0 Comprimento da zona endurecida no centro do modelo (cm) 0.0 4.5 Espessura da Camada Endurecida no centro da zona aquecida (cm) 0.5 1.3 Dureza Interior da zona tratada térmicamente (RC Escala) &gt; 60 &gt; 60 Dureza Exterior da zona tratada térmicamente (RC Escala) 110 ^ 10TABLE 2 RESULTS OF THERMAL TREATMENT BY PLASMA USING SOLID STEEL ALLOY MODELS OF D.E. 2.54 cm SAMPLE 1 SAMPLE 2 Saturation time 850 + 52C (sec) 10 300 Length of the hardened outer surface area (cm) 2.2 6.0 Hardened zone length at the center of the model (cm) 0.0 4.5 Hardened layer thickness at the center of the heated zone (cm) 0.5 1.3 Hardness Inside the thermally treated zone (RC Scale) &gt; 60 &gt; 60 External hardness of the thermally treated zone (RC Scale) 110 ^ 10

TABELA 3TABLE 3

RESULTADOS DE TRATAMENTO TÉRMICO DE PLASMA UTILIZANDO MODELOS SÓLIDOS DE LIGA DE AÇO DE 1,27 cm DE DlAMETRO EXTERNO AMOSTRA 1 AMOSTRA 2 Tempo de saturação a 850 + 59C (sec) 10 60 Comprimento da zona superficial externa endurecida (cm) 1.7 2.1 Comprimento da zona endurecida de modelo de Diâmetro Interno (cm) 1.7 2.1 Dureza Interior da zona tratada térmicamente (RC Escala) &gt;55 &gt; 60 Dureza Exterior da zona tratada tirmicamente (RC Escala) ^10 l 10RESULTS OF THERMAL PLASMA TREATMENT USING SOLID STEEL ALLOY MODELS OF 1.27 cm OF EXTERNAL DIMETER SAMPLE 1 SAMPLE 2 Saturation time at 850 + 59C (sec) 10 60 Length of hardened outer surface area (cm) 1.7 2.1 Length of Hardened Zone of Inner Diameter Model (cm) 1.7 2.1 Inner Hardness of Thermally Treated Zone (RC Scale) &gt; 55 &gt; 60 External Hardness of the Trematically Treated Zone (RC Scale) ^ 10 l 10

Claims (4)

- 1§ - Processo para o tratamento de uma peça metálica, numa chama de plasma gerada por meios que formam plasma, caracterizado por: - mover-se a peça no percurso da chama de plasma, - rodar-se a peça a uma velocidade suficientemente rápida para que não ocorra um arrefecimento significativo entre a posição em que a referida peça é aquecida na referida chama de plasma e a posição requerida para medir a temperatura da superfície por meios de medida da temperatura de superfície que não é de contacto, - inflamar-se os meios formadores de plasma para se gerar a chama de plasma, - controlar-se a temperatura de chama de plasma e deste modo a temperatura da superfície da peça por meios de medida da temperatura da referida superfície que não é de contacto, para manter a razão de aquecimento da amostra e a temperatura de impregnação desejada da peça, - extinguir-se a chama de plasma, - temperar-se a peça.1. A process for the treatment of a metal part in a plasma flame generated by plasma forming means, characterized in that: - the part is moved in the course of the plasma flame, - the part is rotated at a sufficiently high speed so that there is no significant cooling between the position in which said part is heated in said plasma flame and the position required to measure the surface temperature by means of non-contact surface temperature measurement means, the plasma forming means is used to generate the plasma flame, the plasma flame temperature and thereby the temperature of the surface of the workpiece are measured by means of measuring the temperature of said non-contact surface to maintain the heating rate of the sample and the desired impregnation temperature of the part, - extinguishing the plasma flame, - tempering the part. - 2§ - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os referidos meios de medida da temperatura de superfície que não é de contacto serem meios de I:V. (infra vermelhos).2. A method according to claim 1, characterized in that said non-contact surface temperature measuring means are I: V means. (infra red). - 3§ - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a temperatura de impregnação desejada seja mantida entre 6002C e 10002C aproximadamente.3. A process according to claim 1 wherein the desired impregnation temperature is maintained between about 600 ° C and about 1000 ° C. - 4§ - Processo de acordo com a reivindicação 1, 154. A process according to claim 1, •/&quot;WQaeç caracterizado por se incluir adicionalmente um passo de tran£ lacção da peça ao longo do eixo rotacional. _ 5a _ Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por se incluir adicionalmente um passo de variação da velocidade de translacção da peça de acordo com a sua geometria por forma a aplicar o tratamento com a mesma profundidade aproximadamente sobre toda a peça. - 6§ - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 5, caracterizado por adicionalmente se incluir um passo de variação da velocidade de rotação da peça de acordo com a sua geometria para se aplicar o tratamento com a mesma profundidade sobre toda a peça. - 7§ - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por se incluir adicionalmente um passo de tratamento por calor de diferentes zonas da mesma peça simultânea -mente com uma pluralidade de meios geradores de plasma, estando cada um associado com meios de medida da temperatura de superfície que não é de contacto. - 8§ - Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por se tratar cada uma das diferentes zonas a uma temperatura diferente das outras. - 9ê - Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por se tratar com uma das diferentes zonas a uma espessura diferente das outras. - 10§ - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por se escolher o gás de plasma entre hidrogénio, 16 - hélio, neon, argon, cripton, zenon,radon,azotooxigénio, diéxido de carbono ou uma sua mistura. - 11S - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o referido tratamento de tempera ser realizado imediatamente depois da extinção da chama. - 12i - Processo de acordo com a reivindicação 1, catacterizado por o referido passo de tempera ser realizada por aspersão de um fluído de arrefecimento sobre a superfície da peça. - 13§ - Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por a referida tempera se realizar enquanto a peça está ainda em rotação. - 14§ - Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por a referida tempera se realizar por aspersão de um gás liquefeito sobre a superfície da peça. Lisboa, 6 de Março de 1989Characterized in that a step of transferring the part along the rotational axis is further included. The method of claim 4, wherein a step of varying the translational speed of the workpiece according to its geometry is further included so as to apply the treatment at the same depth over approximately the entire workpiece. 6. A process according to claim 1 or claim 5, further characterized in that a step of varying the speed of rotation of the workpiece according to its geometry is included in order to apply the treatment with the same depth over the entire workpiece. 7. A process according to claim 1, characterized in that a heat treatment step of different zones of the same part is simultaneously included with a plurality of plasma generating means, each of which is associated with measuring means of the same. non-contact surface temperature. 8. A process according to claim 7, wherein each of the different zones is treated at a temperature different from the others. A method according to claim 7, characterized in that it is treated with one of the different zones at a different thickness from the others. 10. A process according to claim 1, wherein the plasma gas is selected from hydrogen, 16-helium, neon, argon, krypton, zenon, radon, nitrogen oxo, carbon dioxide or a mixture thereof. 11. A process as claimed in claim 1, wherein said temperature treatment is performed immediately after flame quenching. 12. A process according to claim 1, wherein said temperature step is performed by spraying a cooling fluid onto the workpiece surface. 13. The method of claim 12, wherein said temperature is achieved while the workpiece is still rotating. 14. The method of claim 12, wherein said temperature is achieved by spraying a liquefied gas on the surface of the part. Lisbon, March 6, 1989 1717
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