PL234237B1

PL234237B1 - Sposób jarzeniowego azotowania wewnętrznych powierzchni tulei, zwłaszcza luf

Info

Publication number: PL234237B1
Application number: PL423210A
Authority: PL
Inventors: Marek Betiuk; Zbigniew Łataś; Jerzy Michalski; Piotr Domanowski; Tadeusz Frączek
Original assignee: Instytut Mech Precyzyjnej
Priority date: 2017-10-19
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2020-01-31
Also published as: PL423210A1

Abstract

Istota sposobu jarzeniowego azotowania wewnętrznych powierzchni tulei, zwłaszcza luf, w którym obrabiany przedmiot stanowiący katodę umieszcza się w próżni od 1 do 1500 Pa i łączy z dodatnim biegunem stałego napięcia wyładowania jonizującego o wartości 300 - 2000 V a do wnętrza obrabianego przedmiotu wprowadza się rurową anodę korzystnie z otworami dla przepływu atmosfery reakcyjnej stanowiącej mieszaninę wodoru i azotu, polega na tym, że jednocześnie na całą lub wybrane części obrabianej powierzchni katody (K) działa się polem magnetycznym o indukcji większej od 25 mT, przy czym źródło tego pola magnetycznego korzystnie umieszcza się wewnątrz anody i intensywnie chłodzi się go, ponadto, o ile wyładowanie jarzeniowe nie zapewnia wymaganej temperatury azotowania, obrabianą powierzchnię katody (K) dogrzewa się korzystnie promieniowaniem podczerwonym.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób azotowania wewnętrznych powierzchni tulei, zwłaszcza luf.

Znany jest z polskiego opisu patentowego nr 132719 sposób wytwarzania dyfuzyjnych warstw azotowych na wewnętrznych powierzchniach cylindrów polegający na tym, że obrabiany przedmiot umieszcza się w komorze jarzeniowej, podłącza do źródła prądu jako katodę i zaślepia z obydwu stron izolacyjnymi zatyczkami z małymi otworami, przy czym przez jeden z tych otworów przeciska się rurkę z promieniowymi otworami podłącza do źródła prądu jako anodę, a następnie do komory jarzeniowej na zewnątrz tulei dozuje się atmosferę azotującą stanowiącą mieszaninę wodoru i azotu. Proces prowadzi się przy ciśnieniu w komorze na zewnątrz tulei rzędu 100 do 1500 Pa.

Znany jest też z polskiego opisu patentowego nr 135088 sposób azotowania jarzeniowego przedmiotów stalowych polegający na tym, że proces prowadzi się w warunkach wyładowań jarzeniowych widocznych Towsenda oraz normalnych przy gęstościach prądu od 0,03 do 0,5 mA/cm² a brakującą energię do uzyskania przez wsad temperatury procesu doprowadza się przez dogrzewanie oporowe, co pozwala na zmniejszenie mocy wyładowania jarzeniowego. Wadą tych sposobów jest to, że wymagają one wysokich ciśnień atmosfery azotującej większych od 100 Pa, co jest nie korzystne, bo istnieje niebezpieczeństwo występowania zjawiska wnęk katodowych powstających w przestrzeniach szczelin i otworów. Koncentracja energii wyładowania jarzeniowego w obszarze wnęki katodowej doprowadza do lokalnego wzrostu temperatury i niepożądanej degradacji pierwotnej struktury, uzyskanej w procesach ulepszania cieplnego takich jak austenityzacja, hartowanie czy odpuszczenie przedmiotu obrabianego. Wysokie ciśnienia atmosfery reaktywnej większe od 100 Pa, w warunkach anomalnego wyładowania jarzeniowego, powoduje całkowite pokrycie katody poświatą katodową. To z kolei wymaga specjalnego przygotowania wszystkich powierzchni wsadu, na przykład toczenia, szlifowania, wygładzania, czy trawienia chemicznego w celu jego oczyszczenia i eliminacji niekorzystnych zjawisk wyładowań łukowych. Wyładowaniom łukowym, sprzyja zbyt wysoka chropowatość powierzchni i zanieczyszczenie warstwami tlenkowymi. Ostrza i tlenki w warunkach wyładowania jarzeniowego wywołują zjawiska lokalnej, powierzchniowej koncentracji łuku elektrycznego. Wyładowanie łukowe w postaci przemieszczających się plamek katodowych degraduje materiał powierzchni i zmienia jego własności chemiczne , fizyczne i mechaniczne.

Celem wynalazku było opracowanie sposobu azotowania wewnętrznych powierzchni tulei, przy zdecydowanie mniejszych ciśnieniach atmosfery reakcyjnej.

Istota sposobu jarzeniowego azotowania wewnętrznych powierzchni tulei, zwłaszcza luf, w którym obrabiany przedmiot stanowiący katodę umieszcza się w próżni od 1 do 1500 Pa i łączy z dodatnim biegunem stałego napięcia wyładowania jonizującego o wartości 300-2000 V a do wnętrza obrabianego przedmiotu wprowadza się rurową anodę korzystnie z otworami dla przepływu atmosfery reakcyjnej stanowiącej mieszaninę wodoru i azotu, polega na tym, że jednocześnie na całą lub wybrane części obrabianej powierzchni katody działa się polem magnetycznym o indukcji większej od 25 mT, przy czym źródło tego pola magnetycznego korzystnie umieszcza się wewnątrz anody i intensywnie chłodzi się go, ponadto, o ile wyładowanie jarzeniowe nie zapewnia wymaganej temperatury azotowania, obrabianą powierzchnię katody K dogrzewa się korzystnie promieniowaniem podczerwonym. Pole magnetyczne można też przesuwać się względem obrabianej powierzchni.

Dzięki wprowadzeniu pola magnetycznego proces można prowadzić przy znacznie mniejszych ciśnieniach atmosfery reakcyjnej nawet o 100% mniejszych, co wynika z poniższych wyjaśnień. Wprowadzenie pola magnetycznego w przestrzeń przykatodową zwiększyło w tym obszarze drogę elektronów swobodnych odpowiedzialnych za jonizacje gazu. Wartość indukcji pola magnetycznego na powierzchni anody i w przestrzeni międzyelektrodowej w kierunku katody zmienia się od 200 do 5 miliTesli i jest największa na powierzchni anody. Pole magnetyczne w przestrzeni anody pułapkowane jest przez ferromagnetyczny materiał katody. Linie sił pola przy powierzchni anody otwierają się w kierunku ferrytycznej katody. Taka geometria pola magnetycznego i elektrycznego w warunkach obniżonego ciśnienia pozwala nadać większą drogę swobodną elektronom czyli rotacji elektronów wokół linii sił pola magnetycznego w obszarze katodowym i wywołać ich dryf w kierunku katodowym, doprowadzając do wyładowania jarzeniowego i pokrycia powierzchni katody poświatą katodową, w której zachodzą zjawiska enukleacji aktywnej atmosfery obróbczej inicjującej procesy dyfuzyjne w tym azotowania. Możliwość generacji lokalnego, objętego polem magnetycznym anody obszaru spadku katodowego na powierzchni wewnętrznej przewodu lufowego i w warunkach obniżonego ciśnienia, pozwala prowadzić proces azotowania wewnątrz otworu lufowego bez konieczności przygo

PL 234 237 B1 towania mechanicznego, czy chemicznego lub maskowania powierzchni nie azotowanych. Proces azotowania wewnętrznego luf z zastosowaniem anody z polem magnetycznym wymaga najczęściej stosowania dodatkowego zewnętrznego źródła ciepła w postaci promienników podczerwieni, lub wzbudników indukcyjnych pozwalających nagrzać powierzchnie katody włączając do tego energię wyładowania jarzeniowego do temperatury azotowania 350-6OO°C.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono bliżej w poniższych przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie zasadę działania procesu, w którym atmosferą reakcyjną wprowadza się z zewnątrz anody a fig. 2 - schemat procesu, w którym atmosferą reakcyjną wprowadza się za pośrednictwem anody.

P r z y k ł a d I

Azotowaniu poddano stal 45. Do rury R anody wprowadzono źródło pola magnetycznego złożone z członów C jako magnesów neodymowych, które osadzono na rurce chłodzącej H. W przestrzeni między katodą K a rurą R anody wytworzono próżnię 50 Pa. Katodę K podłączono do dodatniego bieguna napięcia Uj jako katodę K, przy czym wartość tego napięcia Uj ustalono jako 650 V. Po uzyskaniu na niej w wyniku wyładowania jarzeniowego oraz wspomagającego promieniowania podczerwonego wymaganej temperatury azotowania 540°C przez przestrzeń między katodą K a rurą R anody przepuszczano mieszaninę azotu i wodoru w proporcji 30-70 a ustalone doświadczalnie ciśnienie tej mieszaniny wyniosło 50 Pa.

P r z y k ł a d II

Proces azotowania prowadzono tak, jak w przykładzie I z tą różnicą, że mieszaninę azotu i wodoru wprowadzano w przestrzeń katody K poprzez rurę R i jej otwory perforacyjne O. Optymalne ciśnienie tej mieszaniny ustalono na 60 Pa.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób jarzeniowego azotowania wewnętrznych powierzchni tulei, zwłaszcza luf, w którym obrabiany przedmiot stanowiący katodę umieszcza się w próżni od 1 do 1500 Pa i łączy z dodatnim biegunem stałego napięcia wyładowania jonizującego o wartości 300-2000 V a do wnętrza obrabianego przedmiotu wprowadza się rurową anodę korzystnie z otworami dla przepływu atmosfery reakcyjnej stanowiącej mieszaninę korzystnie wodoru i azotu, znamienny tym, że jednocześnie na całą lub wybrane części obrabianej powierzchni katody K działa się polem magnetycznym o indukcji większej od 25 mT, przy czym źródło tego pola magnetycznego korzystnie umieszcza się wewnątrz anody i intensywnie chłodzi się go, ponadto, o ile wyładowanie jarzeniowe nie zapewnia wymaganej temperatury azotowania, obrabianą powierzchnię katody K dogrzewa się korzystnie promieniowaniem podczerwonym.
2. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że pole magnetyczne przesuwa się względem obrabianej powierzchni.

PL 234 237 Β1

Rysunki

Fig. 1

Fig. 2