УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ В ЭЛЕКТРОЛИТНОЙ ПЛАЗМЕ Российский патент 1994 года по МПК C21D1/44 

Изобретение относится к обработке материалов в электролитной плазме, в частности к установкам для плазменно-электролитной обработки.

Известны устройства для термохимической обработки металлов, включающие контейнер для размещения обрабатываемых изделий, систему обеспечения и контроля в нем заданной газовой среды и систему регулировки температурного режима обработки. Такие устройства применяются, например, для борирования поверхностей деталей с целью повышения их износостойкости. При этом обычно процесс борирования осуществляют путем разложения газообразных соединений бора: диборана В₂Н₆, треххлористого бора ВCl₃, трехбромистого бора, которые разбавляют водородом или аргоном. В результате диссоциации этих газов образуется атомарный бор, который при 850-860^оС при осаждении диффундирует вглубь металла, образуя бориды.

К значительным недостаткам приведенных устройств относится применение токсичных, взрывоопасных смесей и необходимость использования специального оборудования, нестабильность боридных слоев и неравномерность их по глубине, твердости и плотности. Отмеченные недостатки, а также длительность проведения процесса способствуют разработке более перспективных и эффективных методов и устройств термохимической обработки металлов, например обработки в электролитной плазме.

Известно устройство для нагрева в электролите, содержащее ванну и цепь электрического питания ванны, включающую источник питания, конденсатор и катушку индуктивности. Недостатком устройства является невысокая надежность стабилизации температуры и невозможность применения для многих составов электролитов, используемых при термической и химико-термической обработке в электролитной плазме, среди которых важнейшие - электролиты на основе растворов карбонатов щелочных металлов. В данном устройстве саморегулирование температуры осуществляется посредством стабилизации тока в соответствии с предположением, что "температура нагреваемого изделия в основном зависит от величины потребляемого тока", причем рассматривается процесс при активном катоде. Однако это для большинства электролитов не соответствует действительности и увеличение температуры вплоть до плавления происходит при самопроизвольном снижении потребляемого тока и без повышения напряжения. Это свидетельствует о качественном изменении характеристик процессов в приэлектродной зоне. (Д. И. Словецкий, С. Д. Терентьев, В. Г. Плеханов. Механизм плазменно-электролитного нагрева металлов. Теплофизика высоких температур. т. 24, 1986 N 2, стр. 353-363). Кроме того, в рассматриваемой установке не предусмотрено устройство переключения ступеней нагрева. Необходимость его применения обусловлена разделением процесса нагрева на 2 стадии по величине потребляемого тока. Таким образом область применения рассматриваемого устройства ограничена.

В устройстве для двухступенчатого электролитного нагрева предложено использовать дополнительный анод для изменения напряжения на обрабатываемой детали в процессе нагрева. Недостатком установки является дополнительный расход электрической энергии на вспомогательном электроде, кроме того, отсутствует возможность поддерживать температуру нагретой детали в заданных пределах длительное время, так как не предусмотрен механизм саморегулировки. Температура детали, обрабатываемой в электролитной плазме, определяется многими факторами - температурой электролита, его концентрацией и химическим составом, напряжением катод - анод, размерами обрабатываемой детали, соотношением площадей катода и анода. (И. З. Ясногорский. Нагрев металлов и сплавов в электролите. Машгиз, 1949). Состояние системы, в которой перечисленные факторы в своей совокупности определяют температуру образца, неустойчиво. При эксплуатации установки происходит изменение концентрации, химического состава и соответственно проводимости электролита, а также колебания других параметров, поэтому поддержание температуры изделия методом стабилизации напряжения невозможно. Таким образом область применения устройства ограничена.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является выбранное в качестве прототипа устройство для термохимической обработки металлов, содержащее ванну с электролитом, электрод, размещенный в последнем, и источник электропитания (Справочник технолога машиностроителя. Под ред. В. М. Кована, М. : Машгиз, 1963, т. I, стр. 570). При прохождении электрического тока через электролит между электродами, одним из которых является обрабатываемое изделие, поверхность изделия, погруженная в электролит, нагревается до высокой температуры за счет экзотермических реакций в приповерхностной газовой оболочке и разрядов между поверхностью и электролитом. Проводя процесс в электролите, содержащем бор (взвешенный порошок В₄С), можно обеспечить режим формирование на поверхности борированного слоя, обладающего высокой твердостью, плотностью и износостойкостью. Степень нагрева борируемого изделия регулируется подводимой электрической мощностью.

К основным недостаткам устройства относится невозможность надежного контроля процесса и его стабилизации по температурному режиму и вследствие этого низкое качество обработки. Это связано с особенностями плазменно-электролитического процесса: при выходе на режим обработки (нагрев) относительно небольшие изменения подводимой электрической мощности могут вызвать резкое повышение температуры поверхности. Отмеченное вызывает значительные трудности в повторении режима обработки, невозможность поддерживать режим обработки автоматически, что приводит к невысокой производительности и высокой вероятности брака. Традиционные контактные методы регистрации температуры с использованием термопар и т. п. не приемлемы, так как ввод датчика в зону обработки приводит к локальному нарушению процесса в области датчика и соответственно искажению данных, дефектам в обработке. Применение пирометрических методов контроля температуры также затруднено в связи с непрозрачностью либо переменной прозрачностью электролита в процессе обработки.

Целью изобретения является повышение качества обработки за счет стабилизации и автоматизации процесса.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для термохимической обработки металлов, содержащее ванну с электролитом, тест-электрод, размещенный в последнем, и источник электропитания, дополнительно снабжено ферромагнитным стержнем, магнитопроводом с двумя установленными на нем катушками индуктивности, блоком электропитания, регистрирующим прибором и системой обратной связи последнего с источником электропитания. Причем ферромагнитный стержень закреплен с возможностью перемещения вдоль оси тест-электрода, а магнитопровод магнитно замкнут на тест-электрод и ферромагнитный стержень. Одна из катушек индуктивности электрически связана с блоком электропитания, вторая - через регистрирующий прибор - с системой обратной связи.

Снабжение устройства дополнительно ферритовым стержнем, магнитопроводом с двумя установленными на нем катушками индуктивности, блоком электропитания, регистрирующим прибором и системой обратной связи последнего с источником электропитания позволяет обеспечить непрерывный контроль температуры изделия в процессе обработки и осуществить автоматическую регулировку режима с целью поддержания температуры в заданном интервале. Это достигается за счет использования эффекта зависимости магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от температуры. Известно, что магнитная проницаемость ферромагнитных материалов зависит от температуры, причем при нагреве выше определенного уровня (температура Кюри) магнитная проницаемость резко снижается до значения, близкого к магнитной проницаемости воздуха (М. В. Никулин, А. С. Назаров. Радиоматериалы и радиокомпоненты. М. : Высшая школа. , 1986, стр. 79). Следовательно, обеспечив в процессе обработки детали в электролитной плазме контроль ее магнитной проницаемости, можно однозначно судить и о температурном режиме процесса.

Для контроля магнитной проницаемости обрабатываемая деталь (тест-электрод) включается в магнитопровод с двумя установленными на нем катушками. Причем одна из катушек подключается к блоку электропитания и формирует в магнитопроводе переменное магнитное поле, а вторая - к регистрирующему прибору для фиксации величины индуцированной в ней ЭДС, связанной с магнитной проницаемостью обрабатываемой детали и, следовательно, с температурным режимом ее обработки.

В магнитопровод также включается ферромагнитный стержень с возможностью перемещения вдоль оси тест-электрода (обрабатываемой детали). Это позволяет при изменении типоразмера или материала обрабатываемой детали регулировкой величины зазора между ней и ферромагнитным стержнем устанавливать требуемый уровень регистрируемого сигнала. Сигнал, подаваемый с катушки индуктивности через регистрирующий прибор на систему обратной связи с источником электропитания, обеспечивает автоматическое поддержание температурного режима в заданном диапазоне. Отклонение температуры обрабатываемой детали от номинальной вызывает соответствующее изменение ее магнитной проницаемости, что вызывает рост (снижение) величины сигнала с катушки индуктивности, подаваемого на систему обратной связи и соответствующее увеличение (снижение) электроэнергии, вкладываемой в процесс.

В результате поиска, проведенного по патентной и научно-технической литературе, технические решения, содержащие признаки, входящие в отличительную часть формулы изобретения и обеспечивающие расширение технических возможностей при одновременном повышении эффективности за счет дополнительного снабжения установки для обработки в электролитной плазме устройством автоматического контроля температуры, состоящем из магнитной системы, блока электропитания, регистрирующего прибора и устройства обратной связи, не обнаружены. Это свидетельствует о наличии новой совокупности существенных признаков и тем самым о соответствии заявляемого технического решения критерию "существенные отличия".

На чертеже схематично изображена предлагаемая установка.

Она содержит обрабатываемую деталь (тест-электрод) 1, ванну 2, наполненную электролитом 3, подвижный фферомагнитный стержень 4, магнитопровод 5, запитывающую катушку 6, приемную катушку 7, регистрирующий прибор 8, устройство 9 обратной связи, управляющее работой источника 10 питания.

Установка работает следующим образом.

В процессе обработки между тест-электродом 1 и ванной 2 с помощью источника электропитания 10 пропускается электрический ток, в результате чего на поверхности обрабатываемой детали 1 возникает электролитическая плазма, выделяющееся при этом тепло разогревает тест-электрод 1, что приводит к установлению градиента температур, изменению его физико-механических свойств и в частности к изменению магнитной проницаемости в результате увеличения магнитного зазора. Катушкой 6 индуктивности создается магнитный поток, который через магнитопровод 5 регистрируется второй катушкой 7. При увеличении напряжения температура тест-электрода возрастает и изменяется величина магнитного потока в катушке 7. Предварительной калибровкой устанавливают зависимость изменения магнитного потока и температуры поверхности. Эти изменения регистрируют измерительным прибором 8, работающим по принципу компенсатора напряжения и выдающего на устройство обратной связи 9 сигнал сравнения. Основа устройства обратной связи-генератор пилообразного напряжения, синхронизированный сигналом электросети. Напряжение генератора поступает на сравнивающее устройство, куда одновременно подается и сигнал от измерительного прибора в виде изменяющегося напряжения. Появляющийся на выходе сравнивающего устройства сигнал усиливается и подается на тиристорный ключ, регулирующий мощность, потребляемую от источника 10 питания. Чем меньше напряжение, поступающее от регистрирующего прибора, тем большая мощность подается на нагрузку. При увеличении напряжения потребляемая мощность ограничивается вплоть до величины, исключающей появление эффекта электролитного нагрева в данных условиях.

В качестве примера конкретного осуществления процесса обработки на предлагаемой установке рассмотрим борирование цилиндрических образцов диаметром 6 мм, изготовленных из стали 45.

Применялся электролит состава, % : К₂СО₃ 9 С₃Н₅(ОН)₃ 40 В₄С 12 Н₂О Остальное
Обработку производят на специально изготовленной лабораторной установке. Магнитная система состоит из двух катушек ПМЕ200, установленных на магнитопроводе сечением 17х20 мм, набранном из пластин трансформаторного железа. Подвижный ферромагнитный стержень изготовлен из феррита марки 1000НМ диаметром 8 мм. Начальный магнитный зазор 4 мм.

При питании магнитной системы переменным синусоидальным напряжением 200 В уровень выходного напряжения на приемной катушке, соответствующий холодному образцу, 25 В. В процессе нагрева до 1000^о уровень выходного сигнала изменяется на 3 В и составляет 22 В. Потребляемая мощность источника питания в процессе обработки находится в интервале 750-900 Вт при глубине погружения образца в электролит 15 мм.

Минимальная регистрируемая температура, ограниченная помехами от тока разряда, составляет 700^оС (ст45).

В результате обработки получены боридные слои различной толщины в зависимости от температуры обработки, время обработки 20 мин.

800^оС 15-20 мкм
900^оС 50-80 мкм
1000^оС 80-100 мкм
На обработанной поверхности отсутствуют оплавы острых кромок.

Калибровка системы управления осуществляется методом сравнения толщин диффундирующего слоя на образцах-свидетелях, изготовленных при контроле температуры хромель-алюминиевой термопарой, помещенной в обрабатываемые образцы на расстоянии 2 мм от торца.

Использование изобретения позволяет, по сравнению с прототипом расширить технические возможности и повысить эффективность установки как за счет снижения количества бракованных деталей, так и за счет автоматизации процесса обработки.

Вышеперечисленные технические преимущества позволяют сделать вывод об экономической целесообразности использования способа регулировки при термохимической обработке в электролитной плазме. (56) Тылкин М. А. "Справочник термиста ремонтной службы", М. , 1981, с. 647.

Авторское свидетельство СССР N 1070183, кл. С 21 D 1/44, 1984.

Авторское свидетельство СССР N 1155621, кл. С 21 D 1/44, 1985.

Справочник технолога машиностроителя под редакцией В. М. Кована, М. , 1963, т. 1, с. 570.

Изобретение относится к обработке материалов в электролитной плазме, в частности к установкам для плазменно-электролитной термохимической обработки. Устройство содержит ванну 2 с электролитом, размещенный в ней тест-электрод (ТЭ), источник электропитания (Э) 10, ферромагнитный стержень (ФС) 6, магнитопровод 5 с установленными на нем катушками индуктивности, блоком 11 Э, регистрирующим прибором 8 и системой обратной связи последнего с источником 10 Э, причем ФС 6 закреплен с возможностью перемещения вдоль оси Т - Э, а магнитопровод 5 магнитно замкнут на Т - Э и ФС 6. Одна из катушек индуктивности электрически связана с блоком Э, вторая - через регистрирующий прибор - с системой обратной связи. 1 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ В ЭЛЕКТРОЛИТНОЙ ПЛАЗМЕ, содержащее ванну с электролитом и размещенный в ней тест-электрод, источник питания, отличающееся тем, что, с целью повышения качества обработки путем стабилизации и автоматизации процесса, оно снабжено имеющим возможность перемещения относительно тест-электрода ферромагнитным стержнем, магнитно-замкнутым с тест-электродом через магнитопровод с двумя катушками индуктивности, и блоком питания, электрически связанным с одной из катушек, а другая катушка электрически связана с источником питания через регистрирующий прибор и обратную связь.