RU2121514C1

RU2121514C1 - Method for plasma thermal processing of articles and device which implements said method

Info

Publication number: RU2121514C1
Application number: RU97116304A
Authority: RU
Inventors: А.М. Лыков; Ю.И. Матвеев
Original assignee: Лыков Алексей Михайлович; Матвеев Юрий Иванович
Priority date: 1997-10-07
Filing date: 1997-10-07
Publication date: 1998-11-10

Abstract

FIELD: processing of complex-shape articles, preferably metal articles. SUBSTANCE: method involves heating surface by plasma arc, which is generated by anode and cathode, which is directed at angle to processing plane, positioning of anode spot on anode and modulation of electric arc by permanent magnetic field. Surface of article is heated by electric arc which is generated by rotating cooled anode and cooled cathode with anode spot which runs over anode in reciprocal movement with amplitude of oscillations of less than 250 mm under effect of at least one alternating magnetic field(s) which are arranged along travel route of anode spot and generated by electromagnets. Plasma are in this moment is separated from surface of article by means of permanent magnetic fields by distance of at least 3 mm; anode spot is positioned on anode on distance of 1.0-25.0 mm from surface of article which is driven with respect to arc at speed of 0.01-25.0 cm per second under level of plasma arc current of 50-600 A. Movement of anode spot is done with alternation of movement direction vector. Axis of cathode is directed at angle of 15-180 with respect to axis of rotating anode which is grounded. Article under processing is also grounded through controlled active resistance and inductance. Nozzle of cathode assembly is connected to positive terminal of power supply through active resistance and contactor. Another claim of invention describes device design which implements said method. EFFECT: increased functional capabilities. 12 cl, 11 dwg

Description

Изобретение относится к области плазменной термической обработки изделий, преимущественно металлических, при которой осуществляется поверхностная закалка без образования трещин с обеспечением высокой твердости и улучшением других физико-механических характеристик. The invention relates to the field of plasma heat treatment of products, mainly metal, in which surface hardening is carried out without cracking, providing high hardness and improving other physical and mechanical characteristics.

Известно устройство для плазменной обработки изделий, содержащее катод и перемещаемый анод, который выполнен в виде двух параллельно расположенных электрически связанных цилиндров, установленных с возможностью одновременного вращения вокруг своих осей в противоположные стороны, причем расстояние между цилиндрами не превышает токопроводящего диаметра дугового шнура. Устройство используют в высокотемпературных процессах, например, плазмохимических и при плазменной обработке материалов. A device for plasma processing of products is known, containing a cathode and a movable anode, which is made in the form of two parallel electrically connected cylinders installed with the possibility of simultaneous rotation around their axes in opposite directions, and the distance between the cylinders does not exceed the conductive diameter of the arc cord. The device is used in high-temperature processes, for example, plasma-chemical and plasma processing of materials.

(См. авт. св. СССР N 974613, кл. H 05 B 7/18, H 05 H 1/24, 1978). (See ed. St. USSR N 974613, class H 05 B 7/18, H 05 H 1/24, 1978).

К недостаткам указанного устройства следует отнести то, что оно неудобно в эксплуатации и обладает низкой надежностью и снижает эффективность подводимой к плазмотрону электрической энергии. The disadvantages of this device include the fact that it is inconvenient in operation and has low reliability and reduces the efficiency of electrical energy supplied to the plasmatron.

Известно также устройство для высокотемпературной обработки поверхности материала, в котором осуществляется более эффективный перенос тепла к обрабатываемой поверхности изделия непосредственным воздействием на нее электрической дуги. Электрическая дуга зажигается между катодом и находящимся над обрабатываемой поверхностью анодом, охлаждаемым водой, и горит в окружающей атмосфере, например в воздухе, воздействуя непосредственно на изделие. Катод обдувается защитным газом, например азотом. При обработке ряда изделий из диэлектрических материалов, например при оплавлении керамики, образуется токопроводящая пленка расплава и электрическую дугу специально направляют на изделие, прижимая ее к изделию, чтобы осуществить ее привязку к поверхности расплава с максимальным и эффективным ее нагревом. В этом случае имеет место взаимодействие электрической дуги анодного пятна непосредственно с поверхностью изделия. A device is also known for high-temperature surface treatment of the material, in which more efficient heat transfer to the surface of the product is carried out by direct exposure to an electric arc. An electric arc is ignited between the cathode and the anode, which is cooled by water, located above the surface to be treated, and burns in the surrounding atmosphere, for example, in air, acting directly on the product. The cathode is blown with a protective gas, such as nitrogen. When processing a number of articles made of dielectric materials, for example, during ceramic reflow, a conductive melt film is formed and the electric arc is specially directed to the product, pressing it to the product in order to bind it to the surface of the melt with its maximum and effective heating. In this case, the electric arc of the anode spot interacts directly with the surface of the product.

(См. Патент США N 3584184, МКИ B 23 K 9/00, НКИ 219/121, 219/137, 1968). (See U.S. Patent No. 3,584,184, MKI B 23 K 9/00, NCI 219/121, 219/137, 1968).

Недостатком указанного устройства и способа, в нем реализованного, является то, что в нем имеет место неравномерная подача тепловых потоков на изделие и соответственно происходит неравномерная обработка поверхности изделия по ширине вследствие больших градиентов температуры по радиусу плазменного шнура. The disadvantage of this device and method, implemented in it, is that there is an uneven supply of heat fluxes to the product and, accordingly, uneven surface treatment of the product across the width occurs due to large temperature gradients along the radius of the plasma cord.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ плазменной термической обработки изделий, заключающийся в следующем. The closest in technical essence and the achieved result is a method of plasma heat treatment of products, which consists in the following.

Способ плазменной термической обработки изделий включает нагрев поверхности плазменной дугой, создаваемой анодом и катодом, направленной под углом к плоскости обработки, размещение анодного пятна на аноде и воздействие на электрическую дугу постоянным магнитным полем. The method of plasma heat treatment of products includes heating the surface with a plasma arc created by the anode and cathode directed at an angle to the processing plane, placing the anode spot on the anode and applying a constant magnetic field to the electric arc.

Устройство для плазменной термической обработки изделий содержит соединенные с источником питания катодный и анодный узлы и установленный между ними блок перемещения электрической дуги относительно поверхности изделия в виде постоянного магнита. A device for plasma heat treatment of products includes a cathode and anode nodes connected to a power source and a unit for moving the electric arc relative to the surface of the product in the form of a permanent magnet mounted between them.

(См. Авторское свидетельство N 1539215, кл. C 21 D 1/09, 1988). (See Copyright Certificate N 1539215, class C 21 D 1/09, 1988).

К недостаткам указанного способа плазменной термической обработки изделий и устройства для его осуществления следует отнести то, что при их эксплуатации невозможно производить термообработку изделий, преимущественно металлических, без оплавления их поверхности вследствие непосредственного взаимодействия электрической дуги с металлом, что влечет за собой, как правило, последующую механическую обработку поверхности изделий, а также затрудняет возможность получения в закаленном поверхностном слое на глубину 1 -2 мм структуры, состоящей из сорбита и мартенсита, без образования трещин из-за интенсивного нагрева металлического изделия и интенсивного его охлаждения (закалки), а также плавного снижения температуры при остывании (отпуск). The disadvantages of this method of plasma heat treatment of products and devices for its implementation include the fact that during their operation it is impossible to heat treat products, mainly metal, without melting their surface due to direct interaction of an electric arc with metal, which entails, as a rule, the following mechanical processing of the surface of the product, and also makes it difficult to obtain in the hardened surface layer to a depth of 1 -2 mm structure, consisting of sorbitol and martensite, without cracking due to the intense heating of the metal product and its intensive cooling (hardening), as well as a smooth decrease in temperature during cooling (tempering).

В основу настоящего изобретения поставлена задача проведения качественного процесса термообработки без прямого взаимодействия электрической дуги с поверхностью изделия, преимущественно металлического, и получения требуемых структур приповерхностного слоя без трещин, а также улучшения других физико-механических свойств обрабатываемого изделия. The basis of the present invention is the task of conducting a high-quality heat treatment process without direct interaction of the electric arc with the surface of the product, mainly metal, and obtaining the required structures of the surface layer without cracks, as well as improving other physical and mechanical properties of the processed product.

Сущность изобретения состоит в способе плазменной термической обработки изделий и устройстве для его осуществления. The invention consists in a method of plasma heat treatment of products and a device for its implementation.

В способе плазменной термической обработки изделий, включающем нагрев поверхности изделий плазменной дугой, создаваемой анодом и катодом, направленной под углом к плоскости обработки, размещение анодного пятна на аноде и воздействие на электрическую дугу постоянным магнитным полем, нагрев поверхности осуществляют электрической дугой, создаваемой вращающимся охлаждаемым анодом и охлаждаемым катодом с анодным пятном, совершающим перемещение по аноду над поверхностью в прямом и обратном направлениях с амплитудой колебания не более 250 мм под воздействием одного или нескольких переменных магнитных полей, расположенных по ходу движения анодного пятна, создаваемых электромагнитами, запитываемыми переменным током различной частоты и формы, плазменную дугу отжимают от поверхности одним или несколькими постоянными магнитными полями на расстояние не менее 3 мм, анодное пятно размещают на аноде на расстоянии 1,0 - 25,0 мм от поверхности изделия, а нагрев дугой осуществляют с одновременным отсосом газа из прианодной области с обеспечением поступательного перемещения изделия относительно дуги со скоростью 0,01-25,0 см/с с поддержанием тока плазменной дуги на уровне 50-600 А, при этом перемещение анодного пятна осуществляют с изменением вектора направления движения, а ось катода направляют под углом 15-180^o к оси вращающегося анода, который заземляют, причем обрабатываемое изделие соединяют с "землей" через регулируемое активное сопротивление и индуктивность, а сопло катодного узла соединяют с плюсом источника питания через активное сопротивление и контактор.In the method of plasma heat treatment of products, including heating the surface of the products with a plasma arc created by the anode and cathode directed at an angle to the processing plane, placing the anode spot on the anode and exposing the electric arc to a constant magnetic field, the surface is heated by an electric arc created by a rotating, cooled anode and a cooled cathode with an anode spot that moves along the anode above the surface in the forward and reverse directions with an oscillation amplitude of not more than 250 m under the influence of one or several alternating magnetic fields located along the anode spot, created by electromagnets powered by alternating current of various frequencies and shapes, the plasma arc is squeezed from the surface by one or more permanent magnetic fields at a distance of at least 3 mm, the anode spot is placed on anode at a distance of 1.0 - 25.0 mm from the surface of the product, and heating by an arc is carried out with simultaneous suction of gas from the anode region, ensuring translational movement of the product from ositelno arc at a rate 0,01-25,0 cm / s with maintaining the plasma arc current at the level of 50-600 A, thus moving the anode spot is carried out with a change in the vector direction, and the cathode axis is directed at an angle to the axis of 15-180 ^o a rotating anode, which is grounded, and the workpiece is connected to the ground through an adjustable active resistance and inductance, and the nozzle of the cathode assembly is connected to the plus of the power source through the active resistance and contactor.

Причем электродное пятно по возможности располагают на внутренней поверхности полого цилиндрического электрода катода, который вращают магнитным полем и вихревым газовым потоком, при этом вращающийся анод соединяют с минусом, а катод с плюсом источника питания. Moreover, the electrode spot is whenever possible located on the inner surface of the hollow cylindrical electrode of the cathode, which is rotated by a magnetic field and a vortex gas stream, while the rotating anode is connected with a minus and the cathode with a plus of the power source.

Кроме того, анодное пятно располагают на поверхности изделия и перемещают его возвратно-поступательно в направлении поступательного перемещения изделия с амплитудой не более 250 мм переменным магнитным полем. In addition, the anode spot is placed on the surface of the product and moves it back and forth in the direction of translational movement of the product with an amplitude of not more than 250 mm by an alternating magnetic field.

При этом производят полиморфное превращение всего или части мартенсита закаленного слоя в бейнит, тростит, сорбит, для чего нагревают упрочненный слой до температуры не выше 700^oC и не раньше, чем через 1,0-10,0 мин после упрочнения-закалки при токах не более 300 А.In this case, polymorphic conversion of all or part of the martensite of the hardened layer to bainite, reed, sorbitol is carried out, for which the hardened layer is heated to a temperature of not higher than 700 ^o C and not earlier than 1.0-10.0 minutes after hardening-hardening at currents no more than 300 A.

Новое устройство для плазменной термической обработки изделий, содержащее соединенные с источником питания катодный и анодный узлы и установленный между ними блок перемещения электрической дуги относительно поверхности изделия в виде постоянного магнита, снабжено одним или несколькими блоками электромагнитной развертки в виде соленоидов переменного тока различной частоты и формы с сердечниками с углом между осями соленоидов не более 90^o или магнитопроводами блока электромагнитной развертки, установленными таким образом, что угол между векторами напряженности переменного магнитного поля, обеспечивающего сканирование электрической дуги над обрабатываемой поверхностью, составляет не более 90^o, а также дополнительно снабжено установленными между катодным и анодным узлами блоками перемещения электрической дуги относительно обрабатываемой поверхности, выполненными в виде двух-четырех постоянных магнитов, и размещенным перед анодным узлом вентилятором для отсоса газа из прианодной области, установленным в кожухе, и рамой, на которой закреплены с возможностью регулирования по высоте относительно поверхности изделия блок электромагнитной развертки, катодный и анодный узлы и кожух с вентилятором, катодный узел установлен под углом к поверхности изделия, равным ± 80^o, и выполнен в виде корпуса с соплом и центральным стержневым охлаждаемым электродом, а анодный узел выполнен в виде вращающегося относительно своей оси охлаждаемого ступенчатого цилиндра из токопроводящего материала, при этом блоки перемещения электрической дуги имеют возможность вертикального и углового регулирования относительно поверхности изделия.A new device for plasma heat treatment of products, containing cathode and anode nodes connected to a power source and an electric arc displacement unit relative to the surface of the product in the form of a permanent magnet mounted between them, is equipped with one or more electromagnetic scanning units in the form of alternating current solenoids of various frequencies and shapes with cores with the angle between the axes of the solenoids is not more than 90 ^o magnetic cores or electromagnetic scanner, installed so that the angle m waiting for the vectors of the alternating magnetic field providing electric arc scanning over the surface to be treated is not more than 90 ^o, and is further provided with established between the cathode and the anode nodes blocks movement of the electric arc relative to the work surface made in the form of two or four permanent magnets and placed in front of the anode assembly, a fan for suctioning gas from the anode region, mounted in the casing, and a frame on which are adjustable ation in height relative to the workpiece surface block electromagnetic scanner, cathode and anode components and housing a fan, a cathode assembly is mounted at an angle to the workpiece surface equal to ± 80 ^o, and is configured as a housing with a nozzle and a central rod-cooled electrode, while the anode assembly is configured in the form of a cooled stepped cylinder rotating from its axis from a conductive material, while the electric arc displacement units have the possibility of vertical and angular control with respect to overhnosti products.

При этом устройство снабжено активным сопротивлением, контактором, индуктивностью и переменным активным сопротивлением, причем активное сопротивление соединено с соплом катодного узла и контактором, контактор - с заземленной электрической связью меду источником питания и анодным узлом, а переменное активное сопротивление с одной стороны соединено с обрабатываемым изделием, а с другой стороны с заземленной индуктивностью. In this case, the device is equipped with an active resistance, a contactor, an inductance and a variable active resistance, the active resistance being connected to the nozzle of the cathode assembly and the contactor, the contactor connected to a grounded electrical connection between the power source and the anode assembly, and the variable active resistance on one side connected to the workpiece , and on the other hand with a grounded inductance.

Помимо этого катод выполнен в виде полого цилиндра с отношением минимального диаметра вращающегося анодного узла к внутреннему диаметру полого цилиндра катодного узла, составляющим
D/d = 1,1 - 100,0
где D - минимальный диаметр вращающегося анодного узла;
d - внутренний диаметр полого цилиндра катодного узла.In addition, the cathode is made in the form of a hollow cylinder with a ratio of the minimum diameter of the rotating anode assembly to the inner diameter of the hollow cylinder of the cathode assembly, constituting
D / d = 1.1 - 100.0
where D is the minimum diameter of the rotating anode assembly;
d is the inner diameter of the hollow cylinder of the cathode assembly.

Причем вращающийся анодный узел выполнен в виде тела вращения, поверхность которого расположена от поверхности обрабатываемого изделия не далее чем на 25 мм. Moreover, the rotating anode assembly is made in the form of a body of revolution, the surface of which is located no further than 25 mm from the surface of the workpiece.

Кроме того, устройство снабжено станиной, элементами для установки и вращения обрабатываемого изделия, а рама закреплена к станине с возможностью углового, вертикального, горизонтального перемещения относительно обрабатываемого изделия и выполнена в виде Г-образной формы или с возможностью поступательного перемещения обрабатываемого изделия относительно рамы, к которой закреплено оборудование, необходимое для термической обработки поверхности изделия. In addition, the device is equipped with a bed, elements for installing and rotating the workpiece, and the frame is fixed to the bed with the possibility of angular, vertical, horizontal movement relative to the workpiece and is made in the form of a L-shape or with the possibility of translational movement of the workpiece relative to the frame, which secures the equipment necessary for heat treatment of the surface of the product.

При этом устройство снабжено кареткой, к которой закреплена рама с возможностью углового и вертикального перемещения относительно обрабатываемого изделия, станина выполнена П-образной формы, на верхней части которой установлена каретка с возможностью горизонтального перемещения относительно обрабатываемого изделия, а к раме закреплено оборудование, необходимое для термической обработки поверхности изделия. The device is equipped with a carriage, to which a frame is fixed with the possibility of angular and vertical movement relative to the workpiece, the bed is made in a U-shape, on the top of which a carriage is installed with the possibility of horizontal movement relative to the workpiece, and the equipment necessary for thermal surface treatment of the product.

Представленная выше совокупность существенных признаков направлена на достижение технического результата и находится в причинно-следственной связи с ним, так как позволяет: проводить качественный процесс термической обработки изделий без прямого взаимодействия электрической дуги с поверхностью изделия, преимущественно металлического любой формы; получить требуемые структуры приповерхностного слоя изделий без трещин; повысить физико-механические свойства изделий. The above set of essential features is aimed at achieving a technical result and is in a causal relationship with it, as it allows you to: conduct a high-quality process of heat treatment of products without direct interaction of the electric arc with the surface of the product, mainly metal of any shape; get the required structure of the surface layer of products without cracks; to increase the physical and mechanical properties of products.

При этом единство изобретения сохранено. Moreover, the unity of the invention is preserved.

Кроме того, изобретение является промышленно применимым, так как может быть использовано при термической обработке изделий, преимущественно металлических, в том числе сложной формы. In addition, the invention is industrially applicable, as it can be used in the heat treatment of products, mainly metal, including complex shapes.

Таким образом, можно сделать вывод, что заявленное техническое решение соответствует условиям патентоспособности изобретения. Thus, we can conclude that the claimed technical solution meets the conditions of patentability of the invention.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства для плазменной термической обработки изделий; на фиг. 2 - вид по стрелке "А" на фиг. 1; на фиг. 3 - расположение блоков электромагнитной развертки при плазменной термической обработке гребня железнодорожной колесной пары; на фиг. 4 - вид по стрелке "Б" на фиг. 3; на фиг. 5 изображен узел "А" фиг. 4; на фиг. 6 - расположение магнитопроводов электромагнитной развертки; на фиг. 7 - вид по стрелке "В" на фиг. 6; на фиг. 8 - схема обработки анодным пятном труднодоступной выемки при термической обработке изделия; на фиг. 9 - вид по стрелке "Г" на фиг. 8; на фиг. 10 - схема взаимного расположения элементов конструкции при плазменной термической обработке изделия типа тела вращения, например железнодорожной колесной пары; на фиг. 11 - схема плазменной термической обработки протяженного изделия, например железнодорожного рельса. In FIG. 1 shows a General view of a device for plasma heat treatment of products; in FIG. 2 is a view along arrow “A” in FIG. one; in FIG. 3 - the location of the blocks of electromagnetic sweep during plasma heat treatment of the crest of the railway wheelset; in FIG. 4 is a view along arrow “B” in FIG. 3; in FIG. 5 shows the assembly “A” of FIG. 4; in FIG. 6 - the location of the magnetic cores of the electromagnetic sweep; in FIG. 7 is a view along arrow “B” in FIG. 6; in FIG. 8 is a diagram of anode spot treatment of inaccessible recess during heat treatment of the product; in FIG. 9 is a view along arrow “G” in FIG. eight; in FIG. 10 is a diagram of the mutual arrangement of structural elements during plasma heat treatment of a product such as a body of revolution, for example, a railway wheel pair; in FIG. 11 is a diagram of a plasma heat treatment of an extended product, such as a rail.

Способ плазменной термической обработки изделий (преимущественно металлических) с различной формой поверхностей сложной конфигурации осуществляют следующим образом. The method of plasma heat treatment of products (mainly metal) with various shapes of surfaces of complex configuration is as follows.

Нагрев изделия производят за счет конвективного и лучистого потоков, выделяемых плазменной дугой в прианодной области. При этом в прикатодной области дуга зафиксирована, а в прианодной области совершает перемещения таким образом, что анодное пятно движется по траектории, сходной с профилем обрабатываемой поверхности изделия с изменением вектора направления своего движения. Такое движение возможно путем последовательного воздействия магнитных полей, создаваемых блоками электромагнитной развертки с различной пространственной ориентацией. Эти магнитные поля последовательно воздействуют на плазменную дугу, заставляя ее перемещаться по сложной траектории в прямом и обратном направлениях, например при термической обработке железнодорожного рельса или гребня железнодорожного колеса, образуя при этом равномерный термоупрочненный слой по поверхности изделий сложной формы. Для предотвращения прижатия к поверхности изделия и шунтирования плазменной дуги через обрабатываемое изделие, сопровождающегося его оплавлением, на плазменную дугу воздействуют постоянными магнитными полями на протяжении всего движения, отжимая ее от поверхности изделия на расстояние не менее 3,0 мм. При этом движение анодного пятна производят на расстоянии 1,0-25,0 мм от обрабатываемой поверхности, а скорость перемещения обрабатываемой поверхности изделия относительно дуги поддерживают на уровне 0,01-25,0 см/с. Ток плазменной дуги при термической обработке поддерживается на уровне 50,0-600,0 A. При термообработке изделий различной конфигурации, например гребня железнодорожного колеса, имеет место близкое расположение вращающегося анода и катодного узла при угле β = 90^° к поверхности изделия, приводящее к пробою и образованию электрической дуги между изделием и деталями плазменного генератора, ведущему к выходу из строя этих узлов и получению некачественного термообработанного слоя со следами подплавления поверхности. По этой причине ось катодного узла, и соответственно катода, направляют к оси вращающегося анода под углом β = 15-180^°. Уменьшение угла до величины, меньшей 15^o, приводит к замыканию корпуса катодного узла с анодом. Для предотвращения попадания под напряжение обслуживающего персонала вращающийся анод заземляют, поскольку в процессе обработки возможно его соприкосновение с изделием. Кроме того, обрабатываемое изделие через регулируемое сопротивление и индуктивность соединяют с "землей" для регулирования тока, проходящего через дополнительную (не основную) плазменную дугу, образованную между вращающимся анодом и изделием. Изменяя величину активного сопротивления, возможно дополнительно регулировать величину тока, а соответственно и теплового потока в изделие при его обработке. Индуктивность устанавливают для сглаживания пульсаций тока в дополнительной плазменной дуге. Для облегчения запуска плазменного генератора при необходимости можно осуществить ионизацию пространства между катодным и анодным узлами, которая осуществляется за счет плазменной струи, истекающей из катодного узла, работающего как плазменный генератор струйного типа при соединении сопла катодного узла с плюсом источника питания через активное сопротивление и контактор, который отключается после образования основной дуги между катодом и анодом. Для увеличения ресурса работы катода, особенно в кислородсодержащих средах, например воздухе, в стержневом катоде используют активные циркониевые или гафниевые вставки, либо катодное пятно располагают на внутренней поверхности токопроводящего охлаждаемого полого цилиндрического стержня, перемещая его по поверхности постоянным магнитным полем и вихревым газовым потоком, при этом вращающийся анод соединяют с минусом, а катод - с плюсом источника питания.The product is heated by convective and radiant flux emitted by a plasma arc in the anode region. Moreover, in the cathode region, the arc is fixed, and in the anode region it moves in such a way that the anode spot moves along a trajectory similar to the profile of the workpiece surface with a change in the direction vector of its movement. Such a movement is possible by successive exposure to magnetic fields generated by electromagnetic scan blocks with different spatial orientations. These magnetic fields sequentially act on the plasma arc, forcing it to move along a complex path in the forward and reverse directions, for example, during the heat treatment of a railway rail or rail wheel flange, forming a uniform heat-strengthened layer on the surface of complex products. To prevent pressing to the surface of the product and bypassing the plasma arc through the workpiece, accompanied by its fusion, the plasma arc is exposed to constant magnetic fields throughout the movement, squeezing it from the surface of the product to a distance of at least 3.0 mm. In this case, the movement of the anode spot is produced at a distance of 1.0-25.0 mm from the treated surface, and the speed of movement of the treated surface of the product relative to the arc is maintained at a level of 0.01-25.0 cm / s. The current of the plasma arc during heat treatment is maintained at a level of 50.0-600.0 A. During heat treatment of products of various configurations, for example, a rail wheel flange, there is a close arrangement of the rotating anode and cathode assembly at an angle β = 90 ^° to the surface of the product, leading to breakdown and the formation of an electric arc between the product and the details of the plasma generator, leading to the failure of these nodes and to obtain a poor-quality heat-treated layer with traces of surface melting. For this reason, the axis of the cathode assembly, and accordingly the cathode, is directed toward the axis of the rotating anode at an angle β = 15-180 ^° . The decrease in the angle to a value less than 15 ^o leads to the closure of the cathode assembly with the anode. To prevent voltage falling on the operating personnel, the rotating anode is earthed, since during processing it may come into contact with the product. In addition, the workpiece through an adjustable resistance and inductance is connected to the "ground" to regulate the current passing through an additional (not main) plasma arc formed between the rotating anode and the product. By changing the value of the active resistance, it is possible to further control the amount of current, and, accordingly, the heat flux into the product during its processing. Inductance is set to smooth current pulsations in an additional plasma arc. To facilitate starting the plasma generator, if necessary, it is possible to carry out ionization of the space between the cathode and anode nodes, which is carried out due to the plasma jet flowing out of the cathode node operating as a plasma jet type generator when the nozzle of the cathode node is connected to the plus of the power source through the active resistance and contactor, which turns off after the formation of the main arc between the cathode and the anode. To increase the life of the cathode, especially in oxygen-containing media, such as air, active zirconium or hafnium inserts are used in the rod cathode, or the cathode spot is placed on the inner surface of the conductive cooled hollow cylindrical rod, moving it along the surface with a constant magnetic field and a vortex gas flow, this rotating anode is connected to the minus, and the cathode to the plus of the power source.

При плазменной термической обработке изделий, преимущественно металлических, с использованием предлагаемого способа один из компонентов закаленного слоя - мартенсит, который обеспечивает повышенную твердость упрочненного слоя. В ряде случаев необходимо снизить полученную после закалки твердость поверхности, например при термообработке железнодорожных колесных пар, до 450-500 HV. Для достижения этой цели необходимо произвести полиморфное превращение всего или части мартенсита закаленного слоя в бейнит, тростит, сорбит и перлит, нагревая упрочненный слой до температуры не выше 700^oC и не раньше чем через 1,0 мин после упрочнения-закалки при токах не более 300 A. При нагреве поверхности ранее чем через 1 мин после упрочнения температурное поле в закаленном слое не успеет релаксировать, а повторный нагрев приведет к перегреву более 700^oC и возможной аустенизации приповерхностного слоя. Нагрев поверхности токами более 300 A также приводит к закалке, а не к отжигу приповерхностного слоя.In plasma heat treatment of products, mainly metal, using the proposed method, one of the components of the hardened layer is martensite, which provides increased hardness of the hardened layer. In some cases, it is necessary to reduce the surface hardness obtained after quenching, for example, during heat treatment of railway wheelsets, to 450-500 HV. To achieve this goal, it is necessary to polymorphically transform all or part of the martensite of the hardened layer into bainite, trostite, sorbitol and perlite, heating the hardened layer to a temperature of not higher than 700 ^o C and not earlier than 1.0 min after hardening-hardening at currents of not more than 300 A. When the surface is heated earlier than 1 min after hardening, the temperature field in the hardened layer does not have time to relax, and repeated heating will lead to overheating of more than 700 ^o C and possible austenization of the surface layer. Heating the surface with currents of more than 300 A also leads to quenching, and not to annealing of the surface layer.

Для упрочнения изделий с труднодоступными полостями, где не поместится анод, анодное пятно располагают на поверхности изделия, перемещая его возвратно-поступательно с амплитудой A не более 250 мм в направлении перемещения изделия (V) переменным магнитным полем (фиг. 8 и 9). Использование наряду с перемещением анодного пятна в направлении, перпендикулярном относительно поступательного движения изделия, и плазмотрона возвратно-поступательного перемещения анодного пятна в направлении перемещения изделия (плазмотрона) позволяет регулировать тепловой поток в поверхность материала изделия и соответственно избежать оплавления поверхности. Увеличение амплитуды возвратно-поступательного перемещения более 250 мм приводит к тому, что закалка поверхностного слоя не происходит. Нагрев дугой поверхности изделия осуществляют с одновременным отсосом газа из прианодной области. To harden products with hard-to-reach cavities where the anode does not fit, the anode spot is placed on the surface of the product, moving it back and forth with an amplitude A of not more than 250 mm in the direction of movement of the product (V) with an alternating magnetic field (Figs. 8 and 9). Using, along with the movement of the anode spot in the direction perpendicular to the translational movement of the product, and the plasmatron the reciprocating movement of the anode spot in the direction of movement of the product (plasmatron) allows you to adjust the heat flux to the surface of the material of the product and, accordingly, to avoid melting the surface. An increase in the amplitude of the reciprocating movement of more than 250 mm leads to the fact that the surface layer does not quench. Heating the arc surface of the product is carried out with simultaneous suction of gas from the anode region.

Способ плазменной термической обработки изделий реализован в устройстве для плазменной термической обработки изделий. The method of plasma heat treatment of products is implemented in a device for plasma heat treatment of products.

Устройство для плазменной термической обработки изделий, преимущественно металлических, состоит (фиг. 1-11) из кожуха 1 с вентилятором 2, анодного узла 3, выполненного в виде вращающегося относительно собственной оси охлаждаемого цилиндра из токопроводящего материала, рамы 4, направляющих 5, которые закреплены на раме 4, стоек 6, соединенных с шарнирными соединениями 7, анодным узлом 3, блоками электромагнитной развертки 8 в количестве трех, постоянными магнитами 9 в количестве трех, водоохлаждаемым катодным узлом 10 с соплом 11 и корпусом-изолятором 12, активного сопротивления 13, контактора 14, источника питания 15, индуктивности 16, переменного активного сопротивления 17, обрабатываемого изделия 18 с поверхностью 19, контактирующей с обрабатываемым изделием плазменной дуги, расположенной от поверхности изделия на расстоянии не более 3,0 мм, анодного пятна 20, расположенного на аноде не далее 25 мм от поверхности изделий (фиг. 2 и 3), перемещаемого по траектории, сходной с профилем обрабатываемой поверхности 19 изделия 18 с изменяемым вектором 21 направления движения. Между катодным узлом 10 и анодным узлом 3 могут быть установлены магнитопроводы 22 блока электромагнитной развертки (фиг. 6 и 7) таким образом, что угол γ между векторами 23 напряженности переменного магнитного поля, обеспечивающего сканирование электрической дуги 24 над обрабатываемой поверхностью 19 изделия 18, составляет не более 90^o. Катодный узел 10 (фиг. 5) может быть выполнен в виде полого цилиндра 25, системы охлаждения 26, сопла 11, корпуса-изолятора 12, системы подачи газа 27 и специального постоянного магнита 28. При этом отношение минимального диаметра вращающегося анода 3 к внутреннему диаметру полого цилиндра 25 катодного узла 10 составляет D/d = 1,1-100,0. Для вращения электродного пятна по внутренней поверхности полого цилиндра 25 цилиндрического катодного узла 10 служит специальный магнит 28 и закрученный поток плазмообразующего газа. Для обработки сложных поверхностей 19, например изделия 18 в виде железнодорожной колесной пары, введена станина 29, к которой при помощи стоек 6, направляющих 5, шарнирного соединения 7 закреплена Г-образная рама 4, на которой установлены анодный узел 3 и блок электромагнитной развертки 8.A device for plasma heat treatment of products, mainly metal, consists (Fig. 1-11) of a casing 1 with a fan 2, anode assembly 3, made in the form of a cooled cylinder rotating from its own axis from a conductive material, a frame 4, guides 5, which are fixed on frame 4, uprights 6 connected to swivel joints 7, anode assembly 3, electromagnetic scan blocks 8 in the amount of three, permanent magnets 9 in the amount of three, water-cooled cathode assembly 10 with the nozzle 11 and the insulator body ohm 12, active resistance 13, contactor 14, power supply 15, inductance 16, variable active resistance 17, workpiece 18 with surface 19 in contact with the workpiece of the plasma arc located at a distance of not more than 3.0 mm from the surface of the product, anode spot 20, located on the anode no further than 25 mm from the surface of the product (Fig. 2 and 3), moved along a path similar to the profile of the machined surface 19 of the product 18 with a variable vector 21 of the direction of movement. Between the cathode assembly 10 and the anode assembly 3, magnetic circuits 22 of the electromagnetic scan unit (FIGS. 6 and 7) can be installed in such a way that the angle γ between the vectors 23 of the intensity of the alternating magnetic field that scans the electric arc 24 over the machined surface 19 of the product 18 is no more than 90 ^o . The cathode assembly 10 (Fig. 5) can be made in the form of a hollow cylinder 25, a cooling system 26, a nozzle 11, an insulator housing 12, a gas supply system 27 and a special permanent magnet 28. The ratio of the minimum diameter of the rotating anode 3 to the inner diameter the hollow cylinder 25 of the cathode assembly 10 is D / d = 1.1-100.0. To rotate the electrode spot on the inner surface of the hollow cylinder 25 of the cylindrical cathode assembly 10, a special magnet 28 and a swirling plasma-forming gas stream are used. To process complex surfaces 19, for example, a product 18 in the form of a railway wheelset, a frame 29 is introduced, to which, using racks 6, guides 5, and a swivel joint 7, a L-shaped frame 4 is fixed on which an anode assembly 3 and an electromagnetic sweep 8 are mounted .

Рама 4 закреплена на станине 29 (фиг. 10) с возможностью углового, вертикального и горизонтального перемещения относительно обрабатываемых поверхностей 19 изделия 18, которое крепится к устройству для установки 30 и вращения 31 при помощи привода 32. Для обработки изделия 18 в виде рельсового пути станина 29 выполнена П-образной формы (фиг. 11), на верхней части которой установлена каретка 33, к нижней части которой закреплена при помощи направляющих 5 через шарнирное соединение 7 и стойки 6 рама 4, к которой подвешены катодный узел 10, блок электромагнитной развертки 8, постоянный магнит 9, анодный узел 3 и кожух 1 с вентилятором 2. Рама 4 закреплена на каретке 33 с возможностью углового, вертикального и горизонтального перемещения с помощью направляющих 5 и шарнира 7. Каретка 33 перемещается относительно обрабатываемого изделия 18, либо рама 4 крепится на неподвижной станине 29, а изделие 18 перемещается относительно рамы 4. The frame 4 is mounted on the frame 29 (Fig. 10) with the possibility of angular, vertical and horizontal movement relative to the machined surfaces 19 of the product 18, which is attached to the device for installation 30 and rotation 31 using the drive 32. To process the product 18 in the form of a rail track 29 is made U-shaped (Fig. 11), on the upper part of which a carriage 33 is installed, to the lower part of which is fixed using guides 5 through an articulation 7 and a rack 6 of the frame 4, to which the cathode assembly 10 is suspended, the electromagnetic unit sweep 8, permanent magnet 9, anode assembly 3 and casing 1 with fan 2. Frame 4 is mounted on the carriage 33 with the possibility of angular, vertical and horizontal movement using guides 5 and the hinge 7. The carriage 33 is moved relative to the workpiece 18, or the frame 4 is mounted on a fixed frame 29, and the product 18 is moved relative to the frame 4.

Устройство плазменной термической обработки изделий, преимущественно металлических, работает следующим образом. Device plasma heat treatment of products, mainly metal, works as follows.

В пуско-наладочном режиме с помощью направляющих 5 и шарниров 7 производят пространственную ориентацию катодного 10, анодного 3 узлов, блоков электромагнитной развертки 8, блоков перемещения плазменной дуги 9, кожуха 1 относительно рамы 4, а с помощью направляющих 5 и шарниров 7 производят пространственную ориентацию рамы 4 в зависимости от формы обрабатываемой поверхности 19 изделия 18 таким образом, чтобы поверхность вращающегося анода 3 располагалась от поверхности 19 обработки изделия 8 на расстоянии не более чем 25 мм. Блоки магнитной развертки 8 и перемещения электрической дуги закрепляются на стойке 6 таким образом, чтобы угол между осями соленоидов α или векторами 23 γ составлял не более 90^o.In the commissioning mode, using the guides 5 and the hinges 7, the spatial orientation of the cathode 10, the anode 3 nodes, the electromagnetic sweep blocks 8, the plasma arc moving blocks 9, the casing 1 relative to the frame 4 is produced, and the spatial orientation is made using the guides 5 and the hinges 7 frame 4 depending on the shape of the machined surface 19 of the product 18 so that the surface of the rotating anode 3 is located from the surface 19 of the processing of the product 8 at a distance of not more than 25 mm Blocks of magnetic sweep 8 and the movement of the electric arc are fixed on the rack 6 so that the angle between the axes of the solenoids α or vectors 23 γ is not more than 90 ^o .

В случае полого катода (фиг. 5) включают магнит 28. Подают охлаждающий реагент (вода, воздух) на охлаждение анодного 3 и катодного 10 узлов и в рубашки охлаждения блоков 8 и 9. Подают плазмообразующий газ (азот, аргон, воздух, природный газ и др.) и включают контактор 14. С помощью высоковольтного заряда осуществляют пробой между соплом 11 и катодом 10, при этом "зажигается" дежурная плазменная дуга, которая ионизирует пространство между катодным 10 и анодным 3 узлами, в результате чего возникает основная плазменная дуга между катодом 10 и анодом 3. После возникновения основной плазменной дуги отключают контактор 14 и включают блоки электромагнитной развертки 8 и перемещения плазменной дуги 9. Плазменная дуга начинает перемещаться по вращающемуся аноду 3 с изменением вектора направления движения 21 по траектории, повторяющей поверхность 19 обрабатываемого изделия 18 (фиг. 2 и 3) под последовательным воздействием переменных магнитных полей блоков электромагнитной развертки 8 в прямом и обратном направлениях над сложной поверхностью 19 обрабатываемого изделия 18. Блоки перемещения плазменной дуги 9 последовательно осуществляют отжим дуги от поверхности 19 изделия 18 на расстояние не менее 3,0 мм. Ток плазменной дуги поддерживают на уровне 50,0 - 600,0 A. Включают вентилятор 2, установленный в кожухе 1. Переменным активным сопротивлением 17 (фиг. 1) осуществляют более плавную регулировку теплового потока в изделие 18 и соответственно достигают более точную толщину термообработанного (закаленного) слоя 19 (фиг. 2 и 3). Далее включают устройство вращения 31 (фиг. 10) при проведении обработки изделий 18 - тел вращения, либо начинают перемещение каретки 33 (фиг. 11) относительно обрабатываемого изделия 18, либо начинают перемещать изделие 18 относительно рамы 4 плазменного генератора. In the case of a hollow cathode (Fig. 5), a magnet 28 is turned on. A cooling agent (water, air) is supplied to cool the anode 3 and cathode 10 nodes and to the cooling jackets of blocks 8 and 9. A plasma-forming gas (nitrogen, argon, air, natural gas) is supplied. etc.) and turn on the contactor 14. Using a high-voltage charge, a breakdown is performed between the nozzle 11 and the cathode 10, and the plasma arc on duty is ignited, which ionizes the space between the cathode 10 and the anode 3 nodes, as a result of which the main plasma arc arises between cathode 10 and anode 3. After in occurrences of the main plasma arc turn off the contactor 14 and turn on the electromagnetic scan units 8 and move the plasma arc 9. The plasma arc begins to move along the rotating anode 3 with a change in the direction vector 21 along a path that repeats the surface 19 of the workpiece 18 (Fig. 2 and 3) under successive exposure to alternating magnetic fields of electromagnetic scan blocks 8 in the forward and reverse directions above the complex surface 19 of the workpiece 18. Blocks for moving plasma arcs and 9 successively spin the arc from the surface 19 of the product 18 to a distance of at least 3.0 mm. The plasma arc current is maintained at a level of 50.0 - 600.0 A. Turn on the fan 2 installed in the casing 1. Variable resistance 17 (Fig. 1) provide a more smooth adjustment of the heat flux into the product 18 and, accordingly, achieve a more accurate heat-treated thickness ( hardened) layer 19 (Fig. 2 and 3). Next, turn on the rotation device 31 (Fig. 10) when processing products 18 — bodies of revolution, or begin to move the carriage 33 (Fig. 11) relative to the workpiece 18, or begin to move the product 18 relative to the frame 4 of the plasma generator.

В зависимости от требуемой толщины термообработанного слоя скорость поступательного перемещения изделия относительно плазменного генератора поддерживают на уровне 0,01-25,0 см/с, а анодное пятно размещают на аноде 3 на расстоянии 1,0-25,0 мм от обрабатываемой поверхности 19 за счет соответствующего расположения оси катода 10 по отношению к аноду 3 и с помощью блоков перемещения электрической дуги. Depending on the required thickness of the heat-treated layer, the speed of translational movement of the product relative to the plasma generator is maintained at the level of 0.01-25.0 cm / s, and the anode spot is placed on the anode 3 at a distance of 1.0-25.0 mm from the treated surface 19 behind due to the corresponding location of the axis of the cathode 10 with respect to the anode 3 and using blocks of movement of the electric arc.

При термической обработке изделий 18 с различной формой поверхности 19 будут изменяться конфигурация образующей анода 3, углы α и γ при расположении блоков электромагнитной развертки 8 или их магнитопроводов 22 (фиг. 6), а также пространственная ориентация узлов 10, 3, 8, 9 и 1 относительно рамы 4, а также самой рамы 4 относительно обрабатываемого изделия 18 и станины 29. During the heat treatment of products 18 with different shapes of the surface 19, the configuration of the generatrix of the anode 3, the angles α and γ at the location of the electromagnetic scan blocks 8 or their magnetic circuits 22 (Fig. 6), as well as the spatial orientation of the nodes 10, 3, 8, 9 and 1 relative to the frame 4, as well as the frame 4 relative to the workpiece 18 and the frame 29.

Режим термической обработки поверхностей металлических изделий включает поверхностную закалку по выбранным конкретным параметрам, определяемым при пуско-наладочных работах и последующий отжиг путем нагрева не ранее чем через 1,0 мин после упрочнения закалки термообработанного слоя до температуры не выше 700^oC при токах не более 300 A. Этот нагрев может осуществляться этим же плазменным генератором, но при режимных параметрах, которые обеспечивают полиморфное превращение части или всего мартенсита в более равновесные структуры: перлит, бейнит, тростит, сорбит.The heat treatment mode of the surfaces of metal products includes surface hardening according to the selected specific parameters, determined during commissioning and subsequent annealing by heating no earlier than 1.0 min after hardening the hardened heat-treated layer to a temperature of not higher than 700 ^o C at currents of not more than 300 A. This heating can be carried out by the same plasma generator, but with regime parameters that provide a polymorphic transformation of part or all of martensite into more equilibrium structures: perlite, white unit, reed, sorbitol.

Применение предлагаемого способа плазменной термической обработки изделий и устройства для его осуществления позволит улучшить физико-механические характеристики металлических изделий любой формы поверхности, а именно повысить твердость поверхности металлических изделий в 2-3 раза, а износостойкость - в 2 раза. The application of the proposed method of plasma heat treatment of products and devices for its implementation will improve the physico-mechanical characteristics of metal products of any surface shape, namely, to increase the surface hardness of metal products by 2-3 times, and wear resistance - 2 times.

Claims

1. The method of plasma heat treatment of products, including heating the surface with a plasma arc created by the anode and cathode, directed at an angle to the surface of the product with the anode spot on the anode and exposing the arc to a constant magnetic field, characterized in that the plasma arc is created by a rotating, cooled anode and cooled cathode, the anode spot is moved along the anode above the surface of the product reciprocating with an oscillation amplitude of not more than 250 mm with a change in the direction vector of movement under the influence using one or several alternating fields located along the anode spot, created using electromagnetic scanning units powered by alternating current of various frequencies and shapes, the plasma arc is squeezed from the surface under the influence of one or more constant magnetic fields at a distance of at least 3 mm, the anode the spot is placed on the anode at a distance of 1.0 - 25.0 mm from the surface of the product, arc heating is carried out with simultaneous suction of gas from the anode region, translational movement of the product rel respect to the arc at a rate of 0.01 - 25 cm / s, and maintaining a current of 50 - 600 A, wherein the cathode axis is directed to the anode axis at an angle of 15 - 180 ^o.

2. The method according to claim 1, characterized in that the anode is earthed, while the workpiece is connected to the ground through an adjustable active resistance and inductance, and the cathode nozzle is connected to the plus of the power source through the active resistance and contactor.

3. The method according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the electrode spot is placed on the inner surface of the hollow cylindrical electrode of the cathode, which is rotated by a magnetic field and a vortex gas stream, while the rotating anode is connected to the minus, and the cathode to the plus of the power source .

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that after hardening the surface on martensite after 1.0 to 10 minutes, it is heated to a temperature of not higher than 700 ^o C at a current of not more than 300 A to ensure the conversion of all or part martensite in bainite or troostitis, or sorbitol.

5. A device for plasma heat treatment of the surface of products containing cathode and anode nodes connected to a power source and a plasma arc displacement unit in the form of a permanent magnet mounted between them, characterized in that the device is equipped with a frame mounted on it with the possibility of height adjustment relative to the surface manufacturing one or more electromagnetic scanners to locate each other at an angle of not more than 90 ^o, additional permanent magnet housing arranged therein a fan for sucking gas from the anode region, wherein the blocks electromagnetic scanner placed between cathode and anode assemblies, with a fan casing disposed in front of the anode assembly, the cathode assembly is mounted at an angle to the workpiece surface equal to ± 80 ^o and is configured as a housing with a nozzle and a central cooled electrode, and the anode assembly is made in the form of a cooled stepped cylinder rotating relative to its axis from a conductive material, and the electric arc displacement units are possible angle control relative to the surface of the product.

6. The device according to claim 5, characterized in that it is equipped with an active resistance, contactor, inductance and variable active resistance, while the active resistance is connected to the nozzle of the cathode assembly and the contactor, the contactor is connected to a grounded electrical connection between the power source and the anode assembly, and variable active resistance on the one hand connected to the workpiece, and on the other hand with a grounded inductance.

7. The device according to claim 5 or 6, characterized in that the cathode electrode is made in the form of a hollow cylinder with a ratio of the minimum diameter of the rotating anode assembly to the inner diameter of the hollow cylinder of the cathode assembly D / d = 1.1 - 100.0 where D is the minimum the diameter of the rotating anode assembly, and d is the inner diameter of the hollow cylinder of the cathode assembly.

8. The device according to any one of paragraphs.5 to 7, characterized in that the anode assembly is made in the form of a body of revolution, the surface of which is not further than 25 mm from the surface of the product.

9. The device according to any one of paragraphs.5 to 8, characterized in that it is equipped with a bed, elements for installing and rotating the workpiece, and the frame is mounted on the bed, with the possibility of angular, vertical and horizontal movements relative to the workpiece and made L-shaped forms.

10. The device according to any one of paragraphs.5 to 9, characterized in that it is equipped with a carriage to which the frame is attached with the possibility of angular and vertical movements relative to the workpiece, the bed is made in a U-shape on which the carriage is mounted with the possibility of horizontal movement relative to the processed product.

11. The device according to any one of paragraphs.5 to 10, characterized in that each electromagnetic scan unit is made in the form of an alternating current solenoid of various frequencies and shapes with a core.

12. The device according to any one of paragraphs.5 to 10, characterized in that each electromagnetic scan unit is made in the form of a solenoid with a magnetic circuit.