Способ комбинированной плазменной обработки тонкостенных цилиндров из сложнолегированных сталей

 

Изобретение может быть использовано в области электротермии, конкретнее в машиностроительной, энергетической и атомной промышленности при плазменном напылении или наплавлении рабочего слоя на внешнюю поверхность цилиндрического изделия. Технический результат изобретения заключается в облегчении инициирования плазмы и повышении стабильности поддержания плазменного нанесения покрытий на внешнюю поверхность цилиндрических изделий, сокращении времени, энергопотребления и стоимости двухсторонней комбинированной плазменной обработки цилиндров при повышении качества покрытий и служебных свойств изделия. Комбинированное плазменное напыление или наплавку рабочего слоя на внешнюю поверхность цилиндра осуществляют, задавая ему вращательное перемещение. Устанавливают внутри цилиндра с помощью вакуумной системы давление 100 Па. Возбуждают вакуумно-дуговой разряд плотностью 60 кА/м² и синхронно перемещают жестко соединенные электроды вакуумно-дуговой и плазменной обработки одним исполнительным механизмом. Постоянно поддерживают концы упомянутых электродов строго напротив друг друга по разные стороны тонкой стенки цилиндра. 1 ил.

Изобретение относится к области электротермии, конкретнее к способам вакуумно-плазменной обработки тонкостенных сложнолегированных изделий, преимущественно цилиндрической формы. Оно может быть использовано для производства особо ответственных изделий в машиностроительной, энергетической и атомной промышленности.

Известна вакуумно-плазменная обработка мелкодисперстного порошка для получения слитков тантала [1]. Недостатком данного способа является то, что, как видно из приведенного аналога, он не позволяет решить задачу вакуумно-плазменной обработки тонкостенных сложнолегированных цилиндров, так как предназначен для получения слитков тантала в вакуумно-плазменной электропечи с полым электродом.

В значительной степени эти недостатки преодолены в способе плазменной комбинированной диффузионной обработки стальных изделий [2]. В этом источнике, принятом нами за прототип, покрытие наносится методом напыления или наплавки при использовании исходного материала в виде порошка, подаваемого через сопло плазмотрона, или проволоки, вводимой в плазменную струю вблизи поверхности изделия (катода). Изделие перемещают, придавая ему вращательное движение, а через полый электрод плазмотрона подают газы: аргон, азот и др.

Недостатками прототипа [2] являются возможность касаний (короткие замыкания) электрода плазмотрона на изделие для инициирования плазменного разряда, что для тонкостенных сложнолегированных цилиндров недопустимо из-за местных дефектов, в том числе и в рабочих режимах при нестабильности дуги; односторонность способа, приводящая к нарушениям качества и служебных свойств покрытий внутри цилиндрического изделия, когда плазменная обработка проводится на внешней поверхности цилиндра и наоборот, т.е. изменение эвтектических и адгезионных свойств покрытия, вплоть до растрескивания и отслаивания; недостаточная стабильность привязки плазменного разряда к точке обработки поверхности цилиндра при напылении или наплавке в процессе его поступательно-вращательного перемещения; потеря аккумулированной в точке обработке энергии при смене операций.

Целью заявляемого изобретения является облегчение инициирования плазмы и повышение стабильности поддержания плазменного нанесения покрытий на внешнюю поверхность цилиндрических изделий, сокращение времени, энергопотребления и стоимости двухсторонней вакуумно-плазменной обработки цилиндров при повышении качества покрытий и служебных свойств производимого продукта у заказчика.

Поставленная цель достигается в способе комбинированной плазменной обработки тонкостенных цилиндров из сложнолегированных сталей, включающем плазменное напыление или наплавку рабочего слоя на внешнюю поверхность цилиндра, которому задают вращательное перемещение.

Причем одновременно с плазменным напылением или наплавкой внешней поверхности цилиндра осуществляют напыление его внутренней поверхности, для чего внутри цилиндра с помощью вакуумной системы устанавливают давление 100 Па, возбуждают вакуумный дуговой разряд плотностью 60 кА/м² и синхронно перемещают жестко соединенные электроды вакуумно-дуговой и плазменной обработки одним исполнительным механизмом, постоянно поддерживая концы упомянутых электродов строго напротив друг друга по разные стороны тонкой стенки цилиндра.

Существенным отличием от известных способов вакуумно-плазменной обработки тонкостенных сложнолегированных цилиндров является то, что ни в одном из известных способов электротермической обработки аналогичного назначения не сочетаются экономичность и простота технического решения при операциях только с вращательным перемещением изделия цилиндрической формы и с единой по времени и координате разделенного тонкой стенкой цилиндра пространства вакуумно-плазменной обработкой при синхронном перемещении зеркально-отраженных в месте обработки концов электродов вакуумно-дугового и плазменного разрядов. Таким образом, предлагаемый способ превращает существенный недостаток изделия - тонкостенность, влекущую отрицательное влияние одного типа электротермической обработки, например плазменной снаружи, на качество покрытия внутри цилиндра, в его достоинство: вакуумно-плазменный патентуемый способ за счет тонкостенности, обеспечивающей мгновенную прогретость стенки в точке обработки, положительно влияет на результаты электротермического процесса и качество покрытий одновременно с обеих сторон изделия.

Это позволяет интенсифицировать электротермический процесс при меньших энергетических затратах и исключении нестабильности плазмы и касаний электрода плазмотрона на тонкую стенку сложнолегированного изделия в координате вакуумно-плазменной обработки, где упомянутые виды электротермических процессов взаимно поддерживают с разных сторон стенки обрабатываемого изделия необходимый нагрев и температуру, обеспечивающие термодинамический режим как для технологии производства покрытий, так и для стабильной привязки к точке обработки вакуумно-дугового разряда внутри и плазменного разряда снаружи цилиндра.

Пример осуществления способа вакуумной плазменной обработки сложнолегированных тонкостенных изделий рассмотрим на установке, схематично изображенной на чертеже. Установка, в которой реализуется способ, содержит механизм 1 загрузки, систему 2 вакуумирования полости обрабатываемого цилиндра, закрытого подвижным 3 и неподвижным 4 уплотнениями. Внутри неподвижного уплотнения 4 помещен шток 5 механизма возвратно-поступательного перемещения расходуемого электрода 6, выполненного из молибдена марки МВП. Все исполнительные механизмы установки управляются командоаппаратом 7, в частности, через преобразователь 8. Через коммутатор 9 источник 10 питания вакуумной и плазменной дуги (выпрямитель ВДУ-504 с напряжением холостого хода 60 В, рабочим током 150-180 А и рабочим напряжением 17-20 В) электрически связан со штоком 5 и посредством скользящего гибкого токоподвода 11 - с тонкостенным сложнолегированным цилиндром (изделием). На рабочей позиции под линией центров уплотнителей 3 и 4 установлен наклонный лоток 12 механизма выгрузки. Шток 5 жестко связан с плазмотроном 13, подсоединенным к газовому баллону. В зону действия электрода плазмотрона подается медная проволока Сu с барабана 14.

Вакуумно-плазменная обработка тонкостенных сложнолегированных цилиндров по приведенной на чертеже реализации патентуемого способа осуществляется, например, следующими операциями с упомянутыми на чертеже материальными объектами схемы.

Обрабатываемый цилиндр загрузочным устройством 1 штучной подачи изделия устанавливают в рабочее положение, где фиксируют и прижимают подвижным уплотнением 3 к уплотнению 4. Затем внутри тонкостенного сложнолегированного цилиндра посредством вакуумной системы 2 устанавливают давление 100 Па. При включении источника 10 питания возбуждают вакуумный дуговой разряд внутри изделия плотностью 60 кА/м² между молибденовым электродом 6 диаметром 9 мм и тонкостенным сложнолегированным ОХ18Н9Т цилиндром с внутренним диаметром 11 мм, а также плазменный разряд снаружи. Таким образом, благодаря жесткой механической и электрической связи штока 5 с молибденовым электродом 6 внутри вакуумированного изделия и электродом плазмотрона 13 снаружи тонкостенного обрабатываемого сложнолегированного цилиндра проводят единую по времени и координате точки вакуумно-плазменную обработку: внутри напыление молибдена МВП и снаружи наплавление меди 14, синхронно перемещая зеркально расположенные концы электродов 6 вакууумно-дугового разряда и электрода плазмотрона 13 вдоль поверхности изделия, совершающего вращательное движение со скоростью 0,25 мс^-1 в крайнее верхнее по чертежу положение. При этом в точке обработки внутри изделия возникают "катодные пятна", в которые переносится материал электрода 6 и происходит местное сплавление молибдена со сложнолегированным материалом цилиндра, и синхронно по времени и координате разделенного тонкой стенкой пространства снаружи на поверхность вращающегося цилиндра с помощью плазмотрона 13 наплавляется медный слой с помощью подаваемой в плазменную зону медной проволоки Сu с барабана 14.

Скорость движения и число проходов штока 5, скорость и состав плазмообразующего газа плазмотрона 13, скорость подачи барабаном 14 в плазменную зону и диаметр медной проволоки Сu для различных требований технологических процессов задавали на основе экспериментально-теоретических данных и регулировали, в том числе, мощность, ток и напряжение источника питания 10. По окончании вакуумно-плазменной обработки электрод 6 и плазмотрон 13 обесточивали коммутатором 9, отключали вакуумную систему 2, подачу плазмообразующего газа и барабан 14 подачи медной проволоки, в результате чего освобожденный от уплотнений 3 и 4 тонкостенный сложнолегированный цилиндр с молибденовым покрытием внутри и медным снаружи по лотку 12 скатывался в приемник готовой продукции.

Реализуемость патентуемого способа вакуумно-плазменной обработки тонкостенных сложнолегированных цилиндров не вызывает сомнений, так как все используемые в нем операции с материальными объектами реально выполнимы и не противоречат таким известным операциям, как вращательно-поступательное движение изделия, ваккумирование полости цилиндрического изделия, вакуумно-плазменная обработка поверхности материального объекта, электро- и газовое снабжение с регулированием, процессы синхронизации операций по времени и координате точки обработки изделия, жесткая связь вакуумного электрода и электрода плазмотрона и др., а сами материальные объекты, над которыми совершаются операции патентуемого способа, могут быть изготовлены из известных материалов, а частично скомплектованы из готовых элементов [3].

Применение патентуемого способа вакуумно-плазменной обработки тонкостенных сложнолегированных цилиндров для особо точных процессов позволило реализовать вакуумно-плазменную технологию, которая до сих пор требовала от трех и более технологических приемов из-за высокой точности процесса, вызванной тонкостенностью обрабатываемых изделий, исключить взаимное отрицательное влияние электротермической обработки снаружи цилиндра на покрытие внутри цилиндра и наоборот, повысить стабильность как вакуумного, так и плазменного разряда из-за зеркальной их работы, позволяющей реализовать встречную поддержку температурного фактора в текущей координате обрабатываемого цилиндра электродами вакуумно-дугового и плазменного процесса, снизить расход электроэнергии на 38% из-за синхронизации операций и исключения потерь аккумулированного в точке обработки тепла, что позволило на изделиях, приведенных в примере, получить экономию 1624 тыс руб в год с увеличением производительности в 2,2 раза.

Список литературы 1. М. В. Чередниченко. Вакуумная плазменная электропечь для получения слитков тантала. IСЕЕ-2000. IV Международная конференция "Электротехника, электромеханика и электротехнологии". 18-22 сентября 2000. Труды. Россия. Клязьма. С. 412-413.

2. Е. В.Долбилин, В.И.Пешехонов, А.Ю.Чурсин. Плазменный комбинированный метод диффузионной обработки стальных изделий. ICEE-2000. IV Международная конференция "Электротехника, электромеханика и электротехнологии". 18-22 сентября 2000. Труды. Россия. Клязьма. С. 418-419.

3. Электрооборудование и автоматика электротермических установок. Справочник под ред. А.П.Альтгаузена и др. М.: Энергия, 1978. 298 с.

Формула изобретения

Способ комбинированной плазменной обработки тонкостенных цилиндров из сложнолегированных сталей, включающий плазменное напыление или наплавку рабочего слоя на внешнюю поверхность цилиндра, которому задают вращательное перемещение, отличающийся тем, что одновременно с плазменным напылением или наплавкой внешней поверхности цилиндра осуществляют напыление его внутренней поверхности, для чего внутри цилиндра с помощью вакуумной системы устанавливают давление 100 Па, возбуждают вакуумно-дуговой разряд плотностью 60 кА/м² и синхронно перемещают жестко соединенные электроды вакуумно-дуговой и плазменной обработки одним исполнительным механизмом, постоянно поддерживая концы упомянутых электродов строго напротив друг друга по разные стороны тонкой стенки цилиндра.

РИСУНКИ

Рисунок 1