SU1668418A1 - Способ термической обработки поверхности металлических изделий и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к термической обработке поверхности металлических изделий с помощью концентрированных источников энергии, например светового излучени , и может быть использовано в металлургии и машиностроении при упрочнении изделий подвергающихс  износу. Цель изобретени  - повышение производительности процесса путем увеличени  однократно нагреваемой площади поверхности издели  и увеличение КПД устройства. Над поверхностью металла 1 устанавливают светопрозрачные колбы 2, заполненные инертным газом, которых между электродами 3 осуществл ют электрический разр д. Поверхность металла облучают импульсами некогерентного света из разр дной части светопрозрачной колбы интенсивностью излучени  10² - 10⁵ Вт/см², длиной волны 100 - 1000 Нм, длительностью импульса 10^-3 - 10^-5 с и частотой следовани  импульсов от одиночных до 100 Гц. Источник электромагнитного излучени  выполнен в виде светопрозрачной колбы с электродами, подключенными к источнику питани  4 через блок 5 разр дных конденсаторов. Светопрозрачна  колба снабжена отражателем 6 в виде части эллипсоидальной или параболоидной поверхности, в фокусе которого установлена светопрозрачна  колба. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относитс  к области термической обработки поверхности металлических изделий с помощью концентрированных источников энергии, конкретнее светового излучени , и может быть использовано в металлургии и машиностроении при упрочении изделий, подвергающихс  износу.

Цель изобретени  - повышение производительности процесса путем увеличени  нагреваемой площади поверхности издели  и увеличение КПД устройства.

Сущность предлагаемого способа заключаетс  в том, что над поверхностью металлов устанавливают светопрозрачные полбы, заполненные инертным газом, внутри которых между электродами осуществл ют электрический разр д, а поверхность металла облучают импульсами некогерентного света из разр дной части светопроз- рачной колбы интенсивностью излучени  102-105 Вт/см2, длиной волны 100-1000 нм, длительностью импульса 10-10 с и частотой следовани  импульсов от одиночных до 100 Гц.

Разогрев металлических поверхностей зависит от коэффициентов поглощени , длительности облучени  и т.д. Температурный разогрев материала можно оценить как

С р ГГ где а- коэффициент поглощени ; I - интенсивность излучени , Вт/см ; t - длительность импульса, с; с - теплоемкость металла, Дж/кг К; р- плотность облучаемого металла, кг/м3; к - коэффициент темпе- ратуропроводности, м2/с.

Глубину прогрева металла б можно оценить как,

д

Учитыва  тот факт, что поверхность ме- талла может иметь коэффициент поглощени  а от 0,2 до 0,8, разогрев до требуемых технологических температур может быть обеспечен при изменении интенсивности излучени  от 102 до 105 Вт/см2. При интен- сивности Излучени  менее 102 Вт/см2 падает производительность процесса, так как увеличиваетс  врем  разогрева (число импульсов ). Увеличение числа импульсов приводит к разогреву более глубоких слоев металла. При интенсивности излучени  свыше 105 Вт/см2 резко падает ресурс свето- прозрачной колбы, возможно механическое разрушение колбы. При интенсивности излучени  свыше 105 Вт/см2 врем  достиже- ни  поверхностью металла требуемой температуры невелико, увеличение длительности импульса при такой интенсивно0

5

0

5

0

5

0 5 0 5

сти приводит к испарению поверхности сло , глубина прогрева при этом незначительна , что не всегда соответствует технологическим требовани м. Использование светопрозрачных колб, заполненных инертным газом, целесообразно из энергетических соображений. Коэффициент преобразовани  электрической энергии в световую у этих устройств составл ет 60- 75%, что недостижимо дл  технологических лазеров. В качестве инертного газа можно использовать ксенон, аргон, криптон и т.д.

При осуществлении электрического разр да в инертной среде возникает излучение с длиной волны 100-1000 нм, при необходимости набором фильтров можно сформировать требуемый набор более узкого диапазона. При времени облучени  свыше с трудно обеспечить выбранный диапазон интенсивности излучени , необходимо примен ть очень мощный источник питани , при временах облучени  менее с падает глубина прогрева сло  металла. С повышением частоты повторени  импульсов свыше 100 Гц (особенно при интенсив- ност х излучени  104-105 Вт/см2} возможно частичное испарение металла и экранирование парами металла каждого последующего импульса. Энерги  при этом будет тратитьс  не на нагрев поверхностного сло  металла . При меньшей интенсивности излучени  частота повторени  импульсов может быть и большей.

На фиг. 1-3 схематично изображено предлагаемое устройство.

Над обрабатываемой поверхностью 1 установлена светопрозрачна  колба 2, заполненна  инертным газом с электродами 3. Блок А питани  соединен с электродами 3 через блок 5 разр дных конденсаторов. Светопрозрачна  колба 2 снабжена отражателем 6. Особенность эллипсоидального отражател  втом, что он имеет два фокуса. Это означает, что если в одном из фокусов установить источник света, то импульс света, отразившисьототражател ,

сосредоточитс  во втором фокусе. Если во втором фокусе расположить обрабатываемую поверхность металла, то можно достигнуть большой интенсивности излучени . Перемеща  обрабатываемую поверхность 1 металла относительно фокуса, можно разогревать поверхностные слои пластин неограниченного размера. На фиг. 2 показано использование параболоидного отражател , позвол ющего получать равномерно ос- вещенное поле, но интенсивность излучени  на поверхности металла при этом невелика и не превышает 103 Вт/см2. На фиг. 3 приведено выполнение отражател .

поперечное сечение которого представл ет собой эллипс (часть эллипса).

Устройство работает следующим образом .

При осуществлении электрического разр да между электродами 3 основна  часть энергии (до 70%) преобразуетс  в световую энергию. Свет, пройд  через свето- прозрачную колбу 2 и отразившись от отражател  б, попадает на поверхность 1 обрабатываемого металла. Мощность све- товой вспышки в предлагаемом устройстве нескольких мегаватт. Среднее энергопотребление устройства в целом 1-100 кВт. Больша  мощность во врем  импульса достигаетс  за счет того, что электроды 3 сое- динены с источником 4 питани  через блок питани  - блок 5 разр дных конденсаторов. При отсутствии блока разр дных конденсаторов дл  достижени  интенсивности излучени  свыше 102 Вт/см2 необходим чрезвычайно мощный источник питани .

Пример. При испытани х использовалась светопрозрачна  колба из кварцевого ст.;кла. заполненна  ксеноном. Рассто ние между электродами в свето- прозрачной колбе 80 мм. Емкость разр дного блока измен лась от 400 до 1000 мкФ, напр жение пробо  - от 1,4 до 2,3 кВ. Колба размещалась внутри параболоидного отражател , выполненного из нержавеющей стали. При интенсивности излучени  пор дка 10 Вт/см на поверхности облученного металла зарегистрировано изменение состо ни  (образование оксидных пленок, цвета побежалости, изменение твердости).

Используетс  светопрозрачна  колба из кварцевого стекла. Рассто ние между электродами 120 мм. Колба заполнена ксеноном , энерги  разр да 5000 Дж, длительность разр да 780 с. Интенсивность излучени  на мишени оцениваетс  в 10s Вт/см2. Цвета побежалости возникают после одиночного импульса. Поверхность металла разогреваетс  до температуры, превышающей температуру испарени , что подтверждаетс  убылью массы. Ресурс све- топрозрачной колбы 3-7 импульсов.

Все параметры совпадают с предыдущим примером. Энерги  разр да 6500 Дж. Светопрозрачна  колба разрушаетс  после первого же импульса.

Фактически начальный пример подтверждает нижний предел в 103 Вт/см2, а последний пример - верхний предел в 10 Вт/см2.

При увеличении интенсивности излучени  до 1,0 Вт/см2 зарегистрировано испарение поверхностных слоев металла и убыль массы образца.

Результаты обработки поверхности сво- товым импульсом показали, в зависимости от темпа охлаждени , возможности и закалки , и отжига металла.

Измерение микротвердосги образцов проводилось с помощью прибора ПТМ-3 при фиксированной нагрузке на алмазную пирамидку.Образцы выполнены из стали У8 размером 25x8x1UU мм. Камеры микротвердости производились в 15-20 точках до и после светового облучени . В исходном состо нии - до воздействи  светового излучени  - микротвердость Нм 7650 МПз. После обработки образца импульсным световым излучением микротвердость в переходной зоне составила Нм 5500 МПа, а в зоне непосредственного воздействи  (на оси свето- прозрачной колбы) Нм 4120 МПа. Проведенные исследовани  микроструктуры показали, что в исходном состо нии она представл ет безыгольчатый мартенсит, а после обработки световым излучением микроструктура образца в зоне воздействи  представл ет собой ферритно-карбидную смесь. На поверхности образца после первых же импульсов по вл ютс  цвета побежалости , которые существенно мен ют поглощательную способность.

Площадь обрабатываемой поверхности -до 100см , что существен но выше, чем при лазерной обработке (диаметр лазерного луча редко превышает 1 см). Лампова  термообработка металлов по сравнению с лазерной обработкой обеспечивает большую производительность, особенно при обработке больших поверхностей.

Claims (2)

1.Способ термической обработки поверхности металлических изделий, включающий нагрев до температуры закалки импульсами сфокусированного светового излучени  с заданными величинами интенсивности , длины волны, длительности и частоты следовани  импульсов, отличающийс  тем, что, с целью повышени  производительности процесса путем увеличени  нагреваемой площади поверхности издели , нагрев осуществл ют импульсами некогерентного светового излучени  с интенсивностью 102-105 Вт/см2, длиной волны 102-J03 нм, длительностью импульса с и частотой следовани  импульсов 1.0-100.0 Гц.

2.Устройство дл  термической обработки поверхности металлических изделий, содержащее источник питани , электроды, подключенные к источнику питани  через блок разр дных конденсаторов и источник светового излучени , отличающеес  тем, что устройство снабжено отражателем.

выполненным в виде части эллипсоидаль- свегопрозрачной колбы, заполненной инер- ной или параболоидной поверхности, источ- тным газом, при этом светопрозрачна  кол- ник светового излучени  выполнен в виде ба установлена в фокусе отражател .

б

S / S / / S / / / У//////// /////////

Фиг. 2