用等离子淬火技术处理机床导轨

发布时间：2015-11-10
连为民　刘恩沧　唐小琦
（华中科技大学机械学院，湖北武汉　430074）
　　1　序言
　　机床导轨主要的失效形式是磨损。导轨的使用寿命直接影响到机床的使用寿命、工作效率及加工精度。因此世界上各机床厂家及研究部门都对提高机床导轨硬度的技术研究十分重视。目前，大多数厂家是采用镀铬处理机床导轨，但其工艺复杂，成本高，且排出的废液容易造成环境污染。因此，需要一种新的机床导轨表面热处理的技术来取代这一传统的表面淬火工艺。等离子束数控机床导轨表面硬化处理技术是利用高能量、高密度的等离子束，结合高效率、高精度的数控系统，对已经经过初步磨削加工的机床导轨，进行超高速的加热熔凝淬火，形成细密的高硬度组织，从而不需要镀铬处理就可以达到工艺要求的硬度和耐磨性。等离子淬火技术是取代传统的镀铬处理工艺的必然途径。
　　2　原理和应用
　　用等离子淬火技术处理机床导轨，采用的是常压下的低温等离子束，介质气体为Ar气。其工作过程是：机床导轨固定在工作台上静止不动，利用数控机床进行三坐标联动，精确地控制安装在机床主轴上的等离子发生器（等离子距），对机床导轨进行表面淬火，使其表面硬度达到工作要求。在这套系统中，等离子发生器是主要的工作器具，数控机床是对其实行精确控制的载体。
　　等离子发生器的工作原理是：在阴极和水冷紫铜喷嘴之间，或阴极和工件之间，使气体介质Ar电离形成电弧。此电弧通过孔径较小的喷嘴孔道，弧柱的直径受到限制，使弧柱受到强行压缩。这种电弧通常叫压缩电弧。由于紫铜喷嘴具有良好的导电性和导热性，受到水冷后，孔道壁面的温度很低。当气体连续地流过孔道时，在靠近壁面的气流受到冷却，形成很薄的冷气流层（冷气壁）。由于这一冷气壁温度低，电离度很低几乎不能通过电流，迫使电弧电流往电离度高的中心部位流过，即电弧向中心部位压缩，从而形成所谓的“热收缩”。因为喷嘴孔径本身很小，再加上等离子弧弧柱周围的冷气壁依附在喷嘴孔道壁面上，使弧柱进一步被压缩，形成“机械压缩”效应；此外，弧柱相当于一束电流方向相同的平行导体，每根通电导体都在它周围产生磁场，在磁场作用下，据左手定则，每根导体受到的电磁力都是指向这一束导体的中心。这种自身磁场产生的电磁力作用的结果，使弧柱受到一个指向弧柱轴心的压缩力，从而使电弧受到压缩，形成所谓的“磁压缩”。在上述三种压缩作用下，弧柱被压缩到很细的范围内，并且由柔性变为刚性，能量密度高度集中，心部温度高达10000～50000℃左右，称为等离子束。
　　用上述等离子束加热工件表面，可以形成很大的温度梯度，可使工件表面薄层内迅速升温至熔点或相变温度以上，束柱移走后依靠工件自身的热传导，加热区迅速冷却，形成细密的白口或隐针马氏体类的高硬度组织，提高表面的硬度和耐磨性，而且处理工件的变形小、效率高。一般的机床导轨，经等离子淬火后，其硬化层硬度可达800～900Hv，深度可达0.10～0.20mm，组织为细小的隐针马氏体。而且在0.15mm淬火深度范围内，其硬度变化不明显，完全能够达到使用要求。
　　在等离子淬火工艺中，电流大小与硬化层深度近乎正比例关系。即电流愈大，硬化深度亦愈深。因为硬化深度与弧柱压降Up成正比，而弧柱压降Up又与弧柱的温度和气体的电离势有关。由弧柱压降Up公式可知：
　　式中　ρp———弧柱电阻系数（Ω·cm）；
　　　　　Fp———弧柱截面积（cm2）；
　　　　　lp———弧柱长，很接近弧长（cm）；
　　　　　ip———流过弧柱的电流密度（A/cm2）。
　　上式表明，弧柱压降Up，取决于弧柱电流密度ip、弧柱电阻系数ρp和弧柱长度lp这三个因素。弧柱的电阻系数ρp主要取决于气体的电离度，而电离度又主要取决于弧柱的温度和气体的电离势。电离势对于固定气体来说是个常数，因而弧柱的电阻系数主要取决于弧柱温度。弧柱温度又是受弧柱电流密度的影响。随着电流密度的增加，弧柱温度升高，弧柱电阻系数就要下降，但当弧柱电流密度达到一定数值时，弧柱温度已经很高，气体电离度已很高，弧电流再继续增加，弧柱电阻系数ρp受温度的影响就小，对弧压的影响不大。因而弧压的变化主要取决于电流密度的变化Up，随着弧柱电流密度的增加而近于线性上升。
　　当然，并不是说电流越大越好。因为电流太大时，输出功率增大，等离子束的能量密度及束柱中心温度大大升高，这时工件位于束柱中心的部位便开始熔化，冷却后便形成熔凝硬化，同时在表面上留下肉眼可见的麻坑。因此，必须使电流位于正常范围内。实践证明，电流密度在40～90A范围内，能取得Z佳的工作效果。
　　3　结束语
　　实践证明，利用等离子技术处理机床导轨，具有工作性能稳定、工作效率高、设备投资小（约为激光的1/3）、处理成本低、对环境无特殊要求、设备维护简单等优点，其经济效益是非常可观的。
　　[参考文献]
　　[1]崔洪芝.气缸套等离子束淬火的研究及应用.中国表面工程，1999，12（4）
　　[2]崔洪芝，徐克宝，尹华跃.等离子束淬火技术及其专用发生器的研究.制造技术与机床，2001（3）
　　[3]耿红军，梁玉海.等离子淬火技术在抽油泵衬套中的应用.石油矿场机械，2001（1）
来源：《组合机床与自动化加工技术》