Способ термической обработки поверхности металлических изделий и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК C21D1/09 

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

Цель изобретения - повышение производительности процесса путем увеличения нагреваемой площади поверхности изделия и увеличение КПД устройства.

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

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

С р ГГ где а- коэффициент поглощения; I - интенсивность излучения, 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

Учитывая тот факт, что поверхность ме- талла может иметь коэффициент поглощения а от 0,2 до 0,8, разогрев до требуемых технологических температур может быть обеспечен при изменении интенсивности излучения от 102 до 105 Вт/см2. При интен- сивности Излучения менее 102 Вт/см2 падает производительность процесса, так как увеличивается время разогрева (число импульсов). Увеличение числа импульсов приводит к разогреву более глубоких слоев металла. При интенсивности излучения свыше 105 Вт/см2 резко падает ресурс свето- прозрачной колбы, возможно механическое разрушение колбы. При интенсивности излучения свыше 105 Вт/см2 время достиже- ния 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 слоя, глубина прогрева при этом незначительна, что не всегда соответствует технологическим требованиям. Использование светопрозрачных колб, заполненных инертным газом, целесообразно из энергетических соображений. Коэффициент преобразования электрической энергии в световую у этих устройств составляет 60- 75%, что недостижимо для технологических лазеров. В качестве инертного газа можно использовать ксенон, аргон, криптон и т.д.

При осуществлении электрического разряда в инертной среде возникает излучение с длиной волны 100-1000 нм, при необходимости набором фильтров можно сформировать требуемый набор более узкого диапазона. При времени облучения свыше с трудно обеспечить выбранный диапазон интенсивности излучения, необходимо применять очень мощный источник питания, при временах облучения менее с падает глубина прогрева слоя металла. С повышением частоты повторения импульсов свыше 100 Гц (особенно при интенсив- ностях излучения 104-105 Вт/см2} возможно частичное испарение металла и экранирование парами металла каждого последующего импульса. Энергия при этом будет тратиться не на нагрев поверхностного слоя металла. При меньшей интенсивности излучения частота повторения импульсов может быть и большей.

На фиг. 1-3 схематично изображено предлагаемое устройство.

Над обрабатываемой поверхностью 1 установлена светопрозрачная колба 2, заполненная инертным газом с электродами 3. Блок А питания соединен с электродами 3 через блок 5 разрядных конденсаторов. Светопрозрачная колба 2 снабжена отражателем 6. Особенность эллипсоидального отражателя втом, что он имеет два фокуса. Это означает, что если в одном из фокусов установить источник света, то импульс света, отразившисьототражателя,

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

поперечное сечение которого представляет собой эллипс (часть эллипса).

Устройство работает следующим образом.

При осуществлении электрического разряда между электродами 3 основная часть энергии (до 70%) преобразуется в световую энергию. Свет, пройдя через свето- прозрачную колбу 2 и отразившись от отражателя б, попадает на поверхность 1 обрабатываемого металла. Мощность све- товой вспышки в предлагаемом устройстве нескольких мегаватт. Среднее энергопотребление устройства в целом 1-100 кВт. Большая мощность во время импульса достигается за счет того, что электроды 3 сое- динены с источником 4 питания через блок питания - блок 5 разрядных конденсаторов. При отсутствии блока разрядных конденсаторов для достижения интенсивности излучения свыше 102 Вт/см2 необходим чрезвычайно мощный источник питания.

Пример. При испытаниях использовалась светопрозрачная колба из кварцевого ст.;кла. заполненная ксеноном. Расстояние между электродами в свето- прозрачной колбе 80 мм. Емкость разрядного блока изменялась от 400 до 1000 мкФ, напряжение пробоя - от 1,4 до 2,3 кВ. Колба размещалась внутри параболоидного отражателя, выполненного из нержавеющей стали. При интенсивности излучения порядка 10 Вт/см на поверхности облученного металла зарегистрировано изменение состояния (образование оксидных пленок, цвета побежалости, изменение твердости).

Используется светопрозрачная колба из кварцевого стекла. Расстояние между электродами 120 мм. Колба заполнена ксеноном, энергия разряда 5000 Дж, длительность разряда 780 с. Интенсивность излучения на мишени оценивается в 10s Вт/см2. Цвета побежалости возникают после одиночного импульса. Поверхность металла разогревается до температуры, превышающей температуру испарения, что подтверждается убылью массы. Ресурс све- топрозрачной колбы 3-7 импульсов.

Все параметры совпадают с предыдущим примером. Энергия разряда 6500 Дж. Светопрозрачная колба разрушается 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 излучения 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 охлаждения, 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 облучения. В исходном состоянии - до воздействия светового излучения - микротвердость Нм 7650 МПз. После обработки образца импульсным световым излучением микротвердость в переходной зоне составила Нм 5500 МПа, а в зоне непосредственного воздействия (на оси свето- прозрачной колбы) Нм 4120 МПа. Проведенные исследования микроструктуры показали, что в исходном состоянии она представляет безыгольчатый мартенсит, а после обработки световым излучением микроструктура образца в зоне воздействия представляет собой ферритно-карбидную смесь. На поверхности образца после первых же импульсов появляются цвета побежалости, которые существенно меняют поглощательную способность.

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

Формула изобретения

1.Способ термической обработки поверхности металлических изделий, включающий нагрев до температуры закалки импульсами сфокусированного светового излучения с заданными величинами интенсивности, длины волны, длительности и частоты следования импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности процесса путем увеличения нагреваемой площади поверхности изделия, нагрев осуществляют импульсами некогерентного светового излучения с интенсивностью 102-105 Вт/см2, длиной волны 102-J03 нм, длительностью импульса с и частотой следования импульсов 1.0-100.0 Гц.

2.Устройство для термической обработки поверхности металлических изделий, содержащее источник питания, электроды, подключенные к источнику питания через блок разрядных конденсаторов и источник светового излучения, отличающееся тем, что устройство снабжено отражателем.

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

Изобретение относится к термической обработке поверхности металлических изделий с помощью концентрированных источников энергии, например светового излучения, и может быть использовано в металлургии и машиностроении при упрочнении изделий подвергающихся износу. Цель изобретения - повышение производительности процесса путем увеличения однократно нагреваемой площади поверхности изделия и увеличение КПД устройства. Над поверхностью металла 1 устанавливают светопрозрачные колбы 2, заполненные инертным газом, которых между электродами 3 осуществляют электрический разряд. Поверхность металла облучают импульсами некогерентного света из разрядной части светопрозрачной колбы интенсивностью излучения 10² - 10⁵ Вт/см², длиной волны 100 - 1000 Нм, длительностью импульса 10^-3 - 10^-5 с и частотой следования импульсов от одиночных до 100 Гц. Источник электромагнитного излучения выполнен в виде светопрозрачной колбы с электродами, подключенными к источнику питания 4 через блок 5 разрядных конденсаторов. Светопрозрачная колба снабжена отражателем 6 в виде части эллипсоидальной или параболоидной поверхности, в фокусе которого установлена светопрозрачная колба. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

б

S / S / / S / / / У//////// /////////

Фиг. 2