Способ ручной плазменной закалки. Прогрессивный метод поверхностной плазменной закалки, повышающий стойкость, долговечность инструмента, прокатных валков и деталей машин различного назначения Поверхностная закалка титановых сплавов плазменной струей
Дальнейший прогресс в повышении качества термообработки рабочих поверхностей деталей связывают с применением концентрированных источников энергии: электронного и лазерного луча, плазменной струи. При этом достигаются более высокие эксплуатационные свойства и качество упрочнения. Из всех способов термообработки высококонцентрированными источниками нагрева наиболее экономичным и производительным является плазменный. Он характеризуется меньшей стоимостью, доступностью технологического оборудования и большими размерами упрочненной зоны.
Особенности плазменной поверхностной закалки - кратковременность процесса нагрева и возможность создания условий охлаждения, обеспечивающих высокую интенсивность, - оказывают существенное влияние на структуру закаленного слоя. Эффект скорости охлаждения при металлографическом исследовании прежде всего заметен в диспергировании структуры. Скорость нагрева оказывает существенное влияние на размер рекристаллизованного зерна, так как с ее увеличением число центров рекристаллизации растет быстрее, чем скорость роста центров. Это приводит к измельчению зерна. Кратковременное пребывание стали в области закалочных температур и протекание фазовых превращений при температурах, превышающих равновесные, приводят к получению механических свойств, отличающихся от свойств стали, закаленной с нагревом от традиционных источников теплоты. В доэвтектоидной стали при быстром нагреве, когда структурно свободный феррит претерпевает перекристаллизацию без влияния атомов углерода, аустенитное зерно всегда несколько мельче того, которое обычно получается при медленном нагреве до температуры аустенизации. Такое изменение блочной структуры аустенита приводит к уменьшению размеров когерентных областей и увеличению значений микронапряжений и искажений в закаленной стали. В условиях поверхностной закалки это становится причиной повышения твердости закаленного слоя. В предварительно сорбитизированных структурах выравнивание концентрации углерода в аустените протекает быстрее, поэтому при нагреве стали с такой структурой размер зерна аустенита может быть еще более мелким - 14-16 баллов. Соответственно и игольчатость мартенсита имеет более тонкое строение, приближающееся к структуре, характеризующейся как безигольчатый мартенсит. Измельчение структуры мартенсита приводит к увеличению ударной вязкости.
Применение быстрого нагрева, способствующего получению более мелкой структуры закаленной стали, дает возможность получить более благоприятное сочетание свойств прочности и вязкости.
Повышение уровня эксплуатационных свойств упрочняемой детали достигается за счет совершенствования технологии упрочнения, что, в конечном счете, сводится к обеспечению оптимального термического цикла (нагрева-охлаждения) исходя из закономерностей структурных, фазовых и полиморфных превращений упрочняемого материала.
Нагрев под закалку по технологии НПП "ТОПАС" осуществляют высокоэн-тальпийной плазменной струей, стелящейся вдоль нагреваемой поверхности. Нагретая зона охлаждается сразу при выходе из плазмы, в основном, за счет отвода теплоты в тело массивной стальной детали, кондуктивного и радиационного теплоотвода с поверхности в атмосферу.
Нагрев каждого участка поверхности происходит с нарастающей плотностью теплового потока в соответствии с изменением теплофизических параметров плазмы по мере приближения к устью струи. Эти параметры в свою очередь можно регулировать в широком диапазоне. Особенностью такого процесса является "мягкий" прогрев с относительно небольшой скоростью нарастания температуры до начала аустенитизации стали. При этом параметры греющей среды, время взаимодействия с учетом температуропроводности материала согласуются так, чтобы обеспечить наибольшую глубину прогрева. "Мягкий" прогрев плавно переходит в "жесткий" с высокой скоростью нарастания температуры в поверхностном слое для более полной аустенитизации, гомогенизации и растворения карбидов.
Рассматриваемая схема процесса поверхностного плазменного нагрева под закалку характеризуется высоким КПД (60-80%) и согласованностью темпов нарастания плотности теплового потока греющей среды с теплофизическими свойствами стали.
Научно-производственное предприятие "ТОПАС" разработало новые технологию и оборудование для высокоскоростной плазменной поверхностной закалки.
Для высокотемпературной поверхностной закалки применяют установку УВПЗ-2М. В ее состав входят: источник электропитания; пульт управления с цифровой системой индикации параметров, оптимизации процесса и неразрушающего контроля; электродуговые горелки с кабель-шланговыми пакетами; специальные формирующие насадки со шланговыми пакетами; пакет монтажных соединений и ЗИП.
Рабочий ток, А... 150-250
Рабочее напряжение, В.... 180-250
Расход сжатого воздуха при давлении в сети 0,5-0,6 МПа, м3/ч.......... 5-8
Расход горючего газа, м3/ч:
метана... 0,5
пропан-бутана.... 0,2
Расход воды для охлаждения при давлении в подводящей сети 0.3 МПа, м3/ч... 1,5
Продолжительность включения ПВ,%...100
Глубина закаленной зоны, мм.... 0,5-3,5
Ширина закаленной зоны, мм... 5-35
Технология поверхностной закалки НПП "ТОПАС" характеризуется новыми возможностями повышения контактно-усталостной прочности металла и, как следствие, увеличением надежности тяжелонагруженных деталей. Она основана на использовании многокомпонентной химически активной высокотемпературной (6000-7000 К) струи продуктов сгорания углеводородного газа (метана, пропан-бутана) с воздухом. Такая высокотемпературная среда характеризуется комбинацией уникальных транспортных и теплофизических свойств. Она более энергоемка, чем любые двухатомные газы при тех же условиях. Теплоотдача от высокотемпературных продуктов сгорания к нагреваемому изделию повышается как за счет высокого температурного уровня, так и благодаря изменению транспортных свойств диссоциированных продуктов сгорания (вследствие их последующей рекомбинации). С технологической точки зрения - это легкость регулирования окислительно-восстановительного потенциала, способность эффективно прогревать материалы, управлять параметрами стабилизированного электродугового разряда и др.
Многократное (5-10 раз) повышение плотности теплового потока может быть достигнуто при закалке с малых дистанций в пределах начального участка струи за счет образования несамостоятельного диффузного разряда между соплом-анодом электродуговой горелки и деталью от отдельного маломощного источника электропитания. Формирование такого разряда в высокотемпературных продуктах сгорания облегчается по сравнению с воздухом и инертными газами. Происходит это благодаря качественному изменению характера приэлектродных процессов на аноде горелки и повышению разности потенциала высокотемпературной струи по отношению к аноду в продуктах сгорания. Доступность и невысокая стоимость используемых рабочих газов делают особенно предпочтительным их применение с увеличением мощности установок, соответственно производительности процессов, когда рабочие параметры смещаются в область повышенных расходов газа.
Среди упрочняющих технологий плазменная является относительно новой, интенсивно развивающейся в последние годы. Широкое распространение получил процесс плазменного поверхностного упрочнения гребней колесных пар без выкатки их из-под локомотива, а также с использованием автоматических линий. Стимулом развития технологии явились участившиеся случаи катастрофического изнашивания колесных пар тягового и подвижного состава на всех железных дорогах бывшего Советского Союза. Среди множества принимаемых мер плазменное поверхностное упрочнение явилось наиболее эффективным.
Технология плазменной поверхностной закалки НПП "ТОПАС" обеспечивает увеличение надежности и долговечности колесных пар тягового и подвижного состава. Интенсивность изнашивания гребней колесных пар с плазменным упрочнением значительно ниже, чем у серийных (в 2,5-3 раза). Разработанная технология закалки колесных пар обеспечивает две отличительные особенности, способствующие улучшению механических свойств (в т. ч. снижению коэффициента трения в контакте гребня с боковой поверхностью рельса) и повышению трещиностойкости материала колеса в зоне плазменного упрочнения:
локальное (в зоне наибольшего износа) поверхностное упрочнение гребня колеса на глубину 2,5-3 мм и ширину 35 мм с твердостью 280 НВ (в исходном материале) до твердости 450 НВ, что обеспечивает оптимальное соотношение твердости контактирующих поверхностей колеса и рельса;
изменение структуры упрочненной зоны колеса - с феррито-перлитной смеси с размером исходных зерен 30-40 мкм до смеси мелкоигольчатого мартенсита с розеточным трооститом 50:50%.
Плазменная поверхностная закалка лезвия почвообрабатывающего инструмента дает существенные преимущества перед традиционными (объемная закалка, наплавка) процессами упрочнения, Инструмент самозатачивается при работе, а сравнительные испытания на трех машиноиспытательных станциях с различными грунтами показали примерно двухкратное увеличение стойкости. Учитывая высокую производительность закалки (2 см/с), легкость полной автоматизации процесса, простоту обслуживания оборудования, низкие текущие затраты и высокую эффективность, лазменное упрочнение лезвий почвообрабатывающего инструмента можно реализовать в условиях ремонтных предприятий.
Плазменную поверхностную обработку можно эффективно применять для повышения стойкости шестерен и металлообрабатывающего инструмента. Проблема дефицита и высокой стоимости инструментальных сталей может быть существенно снижена для машиностроительных предприятий благодаря повышению работоспособности металлообрабатывающего инструмента (резцов, сверл, фрез). Плазменная поверхностная обработка позволяет повысить стойкость данного инструмента в 2-2,5 раза.
Урал-Техно-Плазма
ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ
ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТАЛИ И ЧУГУНА
ПЛАЗМЕННОЙ ЗАКАЛКОЙ
Коммерческое предложение
Нижний Тагил 2012
Введение…………………………………….……………………….…………3
1. Цель плазменной закалки………..…………………………………………4
2. Упрочняемые материалы.....……………………………………….....…….4
3. Физическая сущность процесса……………………………..……………..4
4. Упрочняемые детали……………….……………………….………………5
5. Технологический процесс………………………………………………….10
6. Состав оборудования...…………………………………………………......11
7. Эффективность……………………………………………………..……….15
Заключение …………………………………………...……………………….16
Контактная информация………………………………………………...……18
Приложения…………………………………………………..…………......…19
Введение
Перспективным направлением решения этой проблемы представляется упрочняющая термическая обработка рабочей поверхности концентрированным потоком энергии. Образующиеся при скоростных нагреве и охлаждении структуры закалочного типа обладают высокими твердостью, износостойкостью, сопротивлением разрушению. Причем, упрочнение целесообразно осуществлять как для новых деталей, так и для реставрированных, например, наплавкой и (или) механической обработкой рабочей поверхности, используя дешевые высокопроизводительные методы с низкой трудоемкостью, пригодные для применения в условиях действующего производства.
Широкое промышленное применение большинства известных способов упрочняющей обработки концентрированным потоком энергии (лазерной, электроннолучевой, катодно-ионной и др.) сдерживается высокой стоимостью и сложностью оборудования, недостаточными его надежностью и производительностью, необходимостью использования вакуума , специальных помещений с особыми требованиями, потребностью в квалифицированном обслуживании, высокими эксплуатационными расходами и др.
В этих условиях, для продления эксплуатационного ресурса быстроизнашивающихся деталей рациональным по параметрам универсальности, доступности, экологичности и экономической эффективности представляется способ поверхностной термообработки плазменной дугой прямого действия. Не изменяя параметров шероховатости поверхности, такая термообработка легко встраивается в технологический процесс подготовки и ремонта деталей, являясь финишной операцией, малозатратна, достаточно производительна и позволяет эффективно увеличить их эксплуатационную стойкость.
Необходимо отметить, что применение поверхностной термической обработки не только не исключает, а в целом ряде случаев увеличивает эффективность наплавки, поскольку позволяет использовать относительно дешевые материалы с меньшей твердостью наплавленного металла. При этом наплавкой восстанавливают первоначальные размеры рабочей поверхности, без затруднений проводят механическую обработку наплавленного слоя, а окончательный комплекс свойств формируют в процессе плазменной закалки. Применение комплексного технологического процесса восстановления и упрочнения деталей обеспечивает при весьма невысокой себестоимости эффективность реновации за счет ресурсо - и энергосбережения в сочетании с экологичностью.
Представленные разработки являются результатом научно-исследовательской деятельности -Техно-Плазма совместно с Лабораторией плазменных процессов Нижнетагильского технологического института (филиала) Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России ».
1.Цель плазменной закалки
Целью плазменной закалки является повышение эксплуатационного ресурса деталей машин за счет упрочнения их поверхностного слоя (толщиной до нескольких миллиметров) термической обработкой плазменной дугой при неизменном общем химическом составе материала и сохранении во внутренних слоях первоначальных свойств исходного металла.
2. Упрочняемые материалы
Железоуглеродистые сплавы (0,2…3,7 мас. % С), испытывающие полиморфные превращения при нагреве – охлаждении.
3. Физическая сущность процесса
Упрочнение является результатом высокоскоростного локального нагрева плазменной дугой поверхностного слоя изделия до высоких (выше АС3) температур и быстрое его охлаждение со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода в глубинные (внутренние) слои материала изделия. Образующиеся при скоростном нагреве и охлаждении структуры закалочного типа обладают высокими твердостью, износостойкостью и сопротивлением разрушению. Эффект от плазменной закалки определяется повышением эксплуатационных свойств детали благодаря изменению физико-механических характеристик поверхностного слоя, вследствие образования специфической структуры и фазового состава металла, а также получения на поверхности сжимающих остаточных напряжений.
Структурные превращения в целом соответствуют происходящим при объемной закалке, однако, высокие скорости нагрева и охлаждения вызывают изменение соотношений между структурными составляющими, изменение их морфологии вследствие повышенной дефектности кристаллического строения (увеличение плотности дислокаций, измельчение блоков и рост напряжений в кристаллической решетке).
Таблица 1. Твердость поверхности сталей после плазменной закалки, HRC
Конструкционные углеродистые и низколегированные 34ХН1М, 38ХС, 40Х, 40ХН, 45 | |
Пружинные 50ХФА, 65Г, 60С2 | |
Инструментальные углеродистые У7, У8, У9, У10 | |
Валковые 60ХН, 9Х, 9Х2МФ | |
Штамповые 5ХНМ, 5ХНВ, 4Х5ФМС |
Таблица 2. Сравнение твердости сталей после плазменной закалки и
после других способов термообработки
Твердость, HRC |
|||
Объемная закалка | Закалка ТВЧ | Плазменная закалка |
|
В результате плазменной закалки железоуглеродистых сплавов в зоне термического влияния глубиной 0,5…2,5 мм образуется модифицированная мартенситно-аустенитная структура с переменным в зависимости от режима обработки и структурного класса сплава составом. Содержание фазонаклепанного остаточного аустенита в поверхностном слое составляет от 5 до 80 % в зависимости от состава сплава и режима обработки. В условиях динамического контактного трения при эксплуатации возможно дополнительное деформационное упрочнение термообработанной поверхности за счет превращения остаточного аустенита в мартенсит деформации и наклепа металлических фаз. Средняя твердость поверхности при этом возрастает и, соответственно, повышается износостойкость.
4. Упрочняемые детали
Условно можно разделить на три группы по назначению:
4.1. Детали рельсового транспорта (бандажи колес локомотивов, вагонов, колёса шахтных вагонеток, крановые колёса и т. п.). В качестве примера - фото 1-3.
|
|
Фото 1. Закалка кранового колеса (сталь 45), повышение твердости поверхности от исходной HB 160 до HB 300 после закалки | Фото 2. Закалка бандажей колёс локомотивов на Качканарском ГОКе |
| |
Фото 3. Закалка ходовой части колесных пар, повышение твердости до 58 HRC |
4.2. Сменный технологический инструмент и оборудование (прокатные валки, бандажи, ролики, пуансоны, матрицы, ножи, штампы, буровой инструмент и др.). Примеры представлены на фото 4-24:
|
|
Фото 4. Закаленная внутренняя поверхность кольца пуансона (сталь 45Х1 от 48...50 до 60...62 HRC) | Фото 5. Закаленный ролик (сталь 34ХН1М от HB 240 до 55 HRC) |
|
|
Фото 6. Закалка матрицы для холодной штамповки (сталь 40ХН от 20 до 52 НRC) | Фото 7. Закалка тройниковой матрицы для холодной штамповки от 50 до 60 НRC |
|
| |
Фото 8. Закаленная внутренняя поверхность матрицы | Фото 9. Закалка трефа валка (сталь 34ХН1М) | |
| ||
Фото 10. Закаленные ролики трубопрокатного стана | Фото 11. Закаленный валок АНЛПМК | |
|
|
|
Фото 12. Закаленная с оплавлением деталь буровой коронки | Фото 13. Закалка ролика (сталь 40Х до 50-55 HRC с водяным охлаждением) |
|
| ||
Фото 14. Закаленные пальцы (сталь 45ХН2МФА до 55 HRC) | Фото 15. Закаленный вал холодной прокатки (сталь 9ХС до 60 HRC) | |
|
| |
Фото 16. Закалка бандажа в механическом цехе Уфалейского завода металлургического машиностроения для Коршуновского ГОКа (сталь 40Л от НВ 200 до 50 HRC) | Фото 17. Устройство закалки направляющей (сталь 9ХФ с 30 HRC до 60 HRC) | |
|
| |
Фото 18. Закаленные коренные шейки коленвала (сталь 45Г2 с 30 HRC до 50 HRC) | Фото 19. Закалка клапана (сталь 30Х13 с 28 HRC до 50 HRC) | |
|
| |
Фото 20. Закаленный фрагмент полукольца (сталь 45 с 25 HRC до 55 HRC) | Фото 21. Закалка вала (сталь 40Х до 55 HRC) | |
|
| |
Фото 22. Лопатка дробомета (сталь 45 до 50 HRC) | Фото 23. Трефы валков пильгерстана (сталь 45 до 57 HRC) | |
| ||
Фото 24. Закаленный нож сталь 6Х3В2МФС до 62HRC |
4.3. Детали общего машиностроения (шестерни, звездочки, кольца, валы, оси, втулки, шкивы, посадочные места под подшипники, чугунные станины и пр.). См. фото 25-42:
|
|
Фото 25. Закаленная внутренняя поверхность стальной втулки | Фото 26. Закалка втулки изнутри (сталь 20 от HB 140 до 50 HRC) |
|
|
Фото 27. Закаленная изнутри чугунная гильза дизеля «КАМАЗ» | Фото 28. Закаленные тормозные барабаны |
|
|
Фото 29. Ось (сталь 45) | Фото 30. Закаленные кулачки на валах (сталь 38Х2Н2МА от HB 240 до HB 500) |
|
|
Фото 31. Косозубая шестерня | Фото 32. Закаленные зубчатые рейки |
|
|
Фото 33. Закаленные вал-шестерни (сталь 30ХГСА) | Фото 34. Закаленная звездочка (сталь 20) |
|
|
Фото 35. закаленные рабочие поверхности муфты кулачковой (сталь 50 с 30 HRC до 60 HRC) | Фото 36. Закаленные зубья шестерни (сталь 30хгса с 25 HRC до 60 HRC) |
|
|
Фото 37. Закаленные шлицы (55 HRC) | Фото 38. Закалка рычага двигаHRC) |
|
|
Фото 39. Закаленная рабочая часть рычага двигателя (сталь 45Х до 57 HRC) | Фото 40. Погон (сталь 20Х13 с 20 HRC до 52 HRC) |
|
|
Фото 41. Закаленная тонкостенная деталь (сталь 20 до 40 HRC) | Фото 42. Пальцы (сталь 40Х до 52 HRC) |
5. Технологический процесс
Технологический процесс плазменной закалки включает механическую обработку (при необходимости) и (или) очистку поверхности, подлежащей упрочнению, и собственно термообработку, которая, как правило, является финишной операцией.
Термообработка осуществляется при помощи плазматрона собственной конструкции (фото 43), генерирующего плазменную дугу прямого действия (между катодом и упрочняемым изделием) в атмосфере аргона. Перемещение плазматрона осуществляется в автоматическом режиме с использованием станочного оборудования или вручную, при этом плазмотрон устанавливается на специальном держателе.
Фото 43. Плазматрон
Обработка может производиться с оплавлением поверхности и без оплавления. Следует отметить, что даже при режимах, при которых не наблюдается видимого оплавления поверхности упрочняемого изделия, происходит изменение ее микрорельефа: уменьшается высота микронеровностей, увеличивается радиус закругления вершин за счет их микрооплавления. Это благоприятно сказывается на изменении параметров шероховатости обрабатываемой поверхности и увеличивает её несущую способность, повышает эксплуатационные свойства упрочненных изделий.
При плазменной закалке без плавления поверхности глубину упрочненного слоя можно изменять в пределах 0,5…2,5 мм, ширину локальной зоны закалки можно регулировать в пределах 5…25 мм. Большую ширину можно получить за счет сканирования дуги, когда наряду с поступательным перемещением она совершает поперечные колебания. Сканирование дуги реализуется за счет взаимодействия ее собственного магнитного поля с внешним поперечным переменным полем, создаваемым электромагнитной системой, размещенной на плазмотроне.
Для восстановления деталей различного назначения с одновременным повышением износостойкости возможно применение комбинированной технологии в виде сочетания плазменной закалки с наплавкой. Зачастую, использование наплавки износостойкими сплавами сдерживают проблемы механической обработки наплавленного слоя с твердостью больше 45 HRC. Предлагаются следующие комбинированные способы обработки:
– изношенные детали наплавляются материалом с повышенной твердостью HВ 420…450 (ПП 25Х5ФМС и др.). Механическая обработка наплавленной поверхности производится с плазменным подогревом, что повышает производительность в 2…4 раза. После обточки производится плазменная закалка до твердости 48…52 HRC;
– после наплавки материалами, обеспечивающими твердость HB 290…340 (Нп 30ХГСА и др.) и обточки, деталь упрочняется плазменной закалкой до твердости 49…53 HRC.
6. Состав оборудования
6.1. Установка для закалки в автоматическом режиме (УПЗА-1)
В качестве источника питания плазмотрона применяется сварочный выпрямитель типа ВДУ . Источник комплектуется защитными блокировками, электропневмоклапаном, расходомером газа, пультом для управления возбуждением и сканированием дуги и др.
Таблица 3. Основные данные установки
Наименование параметра | Значение |
|
Номинальная частота, Гц Первичный ток, А, не более Номинальный рабочий ток, А Масса, кг, не более | |
Наименование | Назначение |
Датчик давления воды Датчик давления аргона Датчик вращения детали | Предохранение плазмотронов от выхода из строя |
Таблица 4. Узлы, входящие в комплект установки
Аппаратура может работать в комплекте со станком, вращателем или другим механизмом, который обеспечивает перемещение закаливаемой поверхности относительно плазмотрона с линейной скоростью 3…5 см/с.
В институте аппаратура плазменной закалки смонтирована на базе установки плазменной наплавки типа УПН 303 (фото 44). Подобные установки, которые практически не эксплуатируются в связи с высокой стоимостью наплавочных порошков, имеются на ряде предприятий. Рационально их переоборудовать в установки плазменной закалки. К примеру, такую работу планируется провести на Северском трубном заводе.
На Качканарском, Михайловским и Лебединском горно-обогатительных комбинатах и в окатыш» эта установка работает в комплекте со станком КЖ 20 (разновидность колесофрезерного станка). При закалке бандажей для Коршуновского ГОК использовался карусельный станок механического цеха Уфалейского завода металлургического машиностроения (фото 16).
Фото 44. Установка плазменной закалки
на базе УПН 303
Изготовленные в г. г. установки для закалки в автоматическом режиме поставлены на Катав-Ивановский механический завод и на Механический завод (г. Бийск).
6.2. Установка для закалки в ручном режиме
Разработана и предлагается установка плазменной закалки в ручном режиме (УПЗР-1) на базе сварочного выпрямителя ВДМ 2х313 производства «ЭТА» (Санкт-Петербург). На фото 45 показана такая установка, поставленная на Катав-Ивановский механический завод.
Фото 45. Установка УПЗР-1
Таблица 5. Основные данные установки
Наименование параметра | Значение |
Номинальное напряжение питающей сети трехфазного переменного тока, В Номинальная частота, Гц Первичная мощность, кВА, не более Первичный ток, А, не более Напряжение холостого хода, В, не более Номинальное рабочее напряжение, В Номинальный рабочий ток, А Пределы регулирования рабочего тока, А Коэффициент полезного действия, % не менее Масса, кг, не более Производительность установки, см2 /с | |
Блокировки и предохранительные устройства |
|
Наименование | Назначение |
Датчик давления воды | Предохранение плазматронов от выхода из строя |
Органы управления и их назначение |
|
Расходомер – редуктор Пульт дистанционного управления | Грубая регулировка расхода аргона Возбуждение дуги, регулирование рабочего тока и напряжения, управление сканирующим устройством |
Таблица 6. Узлы, входящие в комплект установки
Примеры применения установки показаны на фото 46-57.
|
|
||
Фото 46. Закалка деталей вручную | Фото 47. Закалка зубьев звездочки (сталь 45 от HB 200 до 50 HRC) |
||
|
|
||
Фото 48. Закалка храповых колец (сталь 45х2нмф от 20 до 50 HRC) | Фото 49. Закалка вала для проката шара Д40мм для (сталь 35ХГС от 23 до 50 HRC) |
||
|
|
||
Фото 50. Закалка зубьев кремальерной шестерни для Завода «Металлист» (от 16 HRC до 40 HRC) | Фото 51. Закалка рычага двигателя сталь 45Х для Челябинского тракторного завода |
||
|
|
||
Фото 52. Закалка звездочки (сталь 48 с 20 HRC до 55 HRC) | Фото 53. Трефы валков пильгерстана (сталь 45 до 57 HRC) |
||
|
|
||
Фото 54. Хвостовики (сталь 34хн3м до 58 HRC) | Фото 55. Зубья втулки (сталь 40Х до 52 HRC) |
||
|
|
||
Фото 56. Закалка шлицов сталь 45 до 50HRC | Фото 57. Закалка шестерни сталь 45 до 48HRC |
||
Возможны также изготовление и поставка универсальной установки для закалки в ручном и автоматическом режимах (УПЗРА-1).
Еще раз хотелось бы отметить, что всё вышеперечисленное оборудование обладает мобильностью, малыми габаритами и может быть размещено в составе оборудования механической обработки деталей (с использованием последнего в качестве механизма перемещения этих деталей при плазменной закалке). Закалка может быть совмещена с обтачиванием детали (если это необходимо), образуя единый ремонтный цикл.
Экономическая эффективность от внедрения разработанных научно-технических и технологических решений составляет от 5 до 10 рублей на рубль затрат.
Заключение
Можно отметить следующие преимущества плазменной закалки по сравнению с другими способами термообработки:
1) при закалке концентрированными источниками энергии в силу специфичности обработки (высокие скорости нагрева и охлаждения) удается получить такую структуру и свойства поверхностного слоя, которые недостижимы при традиционных способах термической обработки;
2) упрочняется только поверхностный слой, а сердцевина остается вязкой, что обеспечивает повышенное сопротивление одновременно изнашиванию и усталости;
3) отсутствие или минимальные деформации упрочняемых деталей, что позволяет повысить точность их изготовления, снизить трудоёмкость механической обработки и затраты на изготовление;
4) высокая производительность (3-5 см2/с в зависимости от требуемой глубины и степени перекрытия закаленных участков);
5) при закалке без оплавления поверхности не требуется последующая механическая обработка, что позволяет использовать ее в качестве финишной операции технологического процесса;
6) наличие в поверхностном слое сжимающих напряжений и присутствие остаточного аустенита повышают сопротивляемость зарождению и распространению трещин;
7) возможность замены высоколегированных сталей низколегированными, упрочненными плазменной закалкой, возможно в сочетании с наплавкой;
8) высокий эффективный КПД нагрева плазменной дугой (до 85 %), для сравнения, при лазерном упрочнении – 5 %;
9) простота обслуживания, мобильность, невысокие стоимость и эксплуатационные расходы, малые габариты технологического оборудования, возможность автоматизации и роботизации технологического процесса.
10) по сравнению с лазерной и электроннолучевой закалкой плазменная имеет следующие преимущества:
– стоимость оборудования на порядок ниже;
– простота работы на установке и её обслуживания, т. е. не требуется высококвалифицированный обслуживающий персонал;
– мобильность установки, т. е. возможность перемещения и быстрого монтажа на любом станке, обеспечивающем необходимую скорость перемещения детали или плазматрона;
– не требуется, как при лазерной закалке, наносить на поверхность специальные покрытия для увеличения поглощения лазерного излучения;
Технология закалки плазменной дугой является оптимальной по параметрам универсальности, доступности, экологичности и экономической эффективности. Она позволяет увеличить срок службы деталей, минимум, в 1,5…2 раза и сократить затраты на обслуживание и ремонт оборудования на 40…50 %. Кроме того, эта технология производительней и дешевле других способов поверхностной закалки (в том числе и ТВЧ). Установка плазменной закалки малогабаритна, мобильна, проста в эксплуатации и обслуживании, обеспечивает возможность автоматизации процесса в сочетании с обычными требованиями производственной безопасности. После плазменной закалки без оплавления не требуется механической обработки, и она может являться финишной операцией.
В экономической эффективности этой технологии убедились такие предприятия, как Северский трубный завод, Лысьвенский металлургический завод, Качканарский, Михайловский и Лебединский горно-обогатительные комбинаты, Уралмашзавод, Уфалейский машиностроительные завод, Механический завод (г. Бийск), ЗАО «Горнозаводсктранспорт» и другие.
В рамках коммерческого предложения - оказание услуг по закалке требующих упрочнения деталей, поставка установок плазменной закалки, включая монтаж, пусконаладочные работы, гарантийный ремонт, сервисное обслуживание и обучение персонала. Работы могут производиться непосредственно на вашем предприятии или в г. Нижний Тагил. Возможна закалка опытных образцов. Рассмотрим предложения по созданию участка на ваших производственных площадях.
Контактная информация
г. Нижний Тагил, -40, -Техно-Плазма
Директор: - 8-
Начальник отдела сбыта: (34, 8-,
E-mail: dryzhinin. *****@***ru
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4
Приложение 5
Приложение 6
Приложение 7
Расчет фактического экономического эффекта от плазменной закалки бандажей и планшайб роликоправильной машины Нижнетагильского металлургического комбината (повышение стойкости в 2,5-3 раза).
Приложение 8
Характеристика приводных вал-шестерней, представленная (увеличение срока службы в 1,6 раза).
Приложение 9
Акт производственных испытаний роликов рольгангов Череповецкого металлургического комбината. Износ закаленных плазмой роликов уменьшился в 5 раз.
Приложение 10
Акт производственных испытаний прокатных валков блюминга 1150 НТМК, сталь 50ХН. Стойкость после плазменной закалки повысилась на 45 %.
Приложение 11
Акт эксплуатационных испытаний прокатных валков из стали 60ХН удостоверяет повышение стойкости после плазменной закалки в 1,7 раза.
Приложение 12
Акт промышленных испытаний молотовых штампов на ВСМПО (увеличение эксплуатационной стойкости после плазменной закалки на 25 %).
Приложение 13
После плазменной закалки чугунных валков (СШХНМ-42) рельсобалочного цеха Нижнетагильского металлургического комбината, их износостойкость возросла на 46 %.
Приложение 14
Стойкость валков из чугуна СПХН-45 возросла на 33,7 %.
Приложение 15
Стойкость бандажей локомотивов увеличилась в 1,8 раза.
ОПЫТ ВНЕДРЕНИЯ ПЛАЗМЕННОЙ ЗАКАЛКИ
ДЛЯ ПРОДЛЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
В сфере поверхностного упрочнения металлических изделий плазменное воздействие концентрированными источниками энергии находит всё более широкое применение. Но зачастую подходы конструкторов к проектированию деталей с износостойкой рабочей поверхностью по закалке ограничиваются требованиями по применению ТВЧ, цементации или азотирования. Накопленный опыт внедрения плазменной закалки свидетельствует о высокой экономической эффективности её использования. Особенно когда предприятие-заказчик является конечным потребителем и комплексно осуществляет упрочнение и эксплуатацию изделий. Технологически грамотное применение плазменной закалки может существенно расширить перечень упрочняемых деталей. Так, эта технология позволяет термообрабатывать детали различных типоразмеров, как с относительно простой геометрией (прокатные валки, валы, колёса, бандажи, шкивы и т.п.) в автоматическом режиме, так и поверхности с развитым профилем (шестерни, гравюры штампов, звёздочки, шлицевые соединения и т.п.) в ручном и автоматическом режимах. Плазменная закалка без оплавления не ухудшает параметров поверхности после механической обработки, поэтому эффективно встраивается в технологический процесс изготовления или ремонта деталей в качестве финишной операции. Широкая гамма упрочняемых плазменной закалкой железоуглеродистых сплавов – от низкоуглеродистых сталей до чугунов – требует внедрения установок, обеспечивающих широкий диапазон регулирования мощности, длины и сосредоточенности плазменной дуги. Последнее поколение установок, разработанных кафедрой, полностью отвечает этим требованиям. Эти установки более мощные, и позволяют закаливать детали на глубину более 2 мм. В качестве примера на рис.1 показаны данные по глубине, твердости и структуре зоны закалки на образце из стали 30ХН2МА.
Одна из таких установок, предназначенная для закалки ручным инструментом (УПЗР1) показана на рис. 2. Номинальный рабочий ток – 220 А. Масса установки – не более 160 кг, напряжение питающей сети – 380 В, мощность – не более 20 кВА, расход плазмообразующего газа (аргона) составляет не более 10 л/мин. Производительность УПЗР1 – 180…300 см 2 обрабатываемой поверхности в минуту.
Принцип действия УПЗР заключается в создании при помощи источника питания, осциллятора и плазмотрона плазменной (сжатой) дуги прямого действия. За счет теплового воздействия дуги при перемещении держателя с плазмотроном относительно обрабатываемой поверхности получается закаленная полоса, ширина которой регулируется расстоянием от торца плазмотрона до изделия и напряжением на электромагнитной катушке сканирующего устройства. В целях расширения технологических возможностей установки предусмотрена также обработка плазменной дугой комбинированного действия. При этом в плазмотроне горят одновременно две дуги (между катодом и соплом плазмотрона и между катодом и поверхностью детали), электрическая мощность каждой из них регулируется независимо, что позволяет в широких пределах варьировать тепловложение.
Согласно результатам производственных испытаний закаленных подобной установкой трефовых шеек (сталь 45) валков пильгерстана Северского трубного завода, износостойкость после плазменной закалки возросла в три раза, срок службы закалённых деталей увеличился на 30% (Рис. 3).
С помощью этой установки для ОАО «ПРОМКО» производится закалка вставок штампов пресса PKZe-800 для производства шаров стальных мелющих (Рис. 4). В результате поверхностного упрочнения гравюр стойкость штампов увеличилась в 2,7 раза.
В три раза возрос срок службы закаленных с помощью УПЗР-1 лопаток дробомета (сталь 45) в ОАО «Металлист» (г. Качканар) с увеличением твердости от 26..30 до 50 HRC (Рис 5.).
В ОАО «Северский трубный завод» с помощью УПЗР-1 проводилось упрочнение зубчатого колеса сталь 45Л непосредственно на кране цеха переработки металлолома (рис. 6). До закалки колесо было аварийно заменено на неупрочненное. Плазменная термообработка увеличила твёрдость с HB 200 до 51 HRC.
Для ООО «Уралпромтехсервис» (г. Екатеринбург) осуществлялась плазменная закалка плоскостей направляющих (сталь ШХ15) от HB 250 до 60 HRC (рис. 7)
Такая установка успешно работает на Бийском механическом заводе. В 2012 году установку УПЗР-1 приобрел Комбинат «Североникель» Кольской горно-металлургической компании (г. Мончегорск).
В 2011 году была создана установка УПЗР-2 с использованием инверторных источников питания дуги, она позволяет упрочнять ручным инструментом более мелкие детали, например, шестерни с модулем 3. Номинальный рабочий ток – 150 А. Масса УПЗР-2 – не более 80 кг, напряжение питающей сети – 220 В, потребляемая мощность – 12 кВА. Производительность – 30…120 см 2 обрабатываемой поверхности в минуту.
Успешно обрабатывались такой установкой шлицевые соединения эджерных валов из стали 5ХНМ для ОАО «ЕВРАЗ НТМК» от 37 до 58 HRC (Рис. 8,9).
Рис. 9. (х 2)
Установкой УПЗР-2 упрочнялись захваты из чугуна СЧ30 для ООО «Югсон-сервис» (г. Тюмень) от 40 до 60 HRC (рис.10).
Установки для плазменной закалки в ручном режиме позволяют упрочнять детали шлицевых соединений, шпоночные пазы, зубья шестерен, гравюры штампов и другие изделия с рабочими поверхностями сложной формы, но результаты закалки, особенно стабильность свойств обработанной поверхности, в значительной мере определяются квалификацией и опытом оператора.
Этот недостаток позволяют преодолеть установки плазменной закалки в автоматическом режиме. Например, установка УПЗА-1 (Рис. 11) для обработки поверхности деталей, представляющих собой тела вращения, с использованием стандартного механического оборудования (станков, манипуляторов, вращателей и т.п.) для позиционирования детали и (или) плазмотрона.
В качестве генераторов дуги используются плазмотроны прямого действия, т.е. плазменная дуга горит между катодом плазмотрона и упрочняемым изделием. Номинальное напряжение питающей сети – 380 В, номинальный рабочий ток – 300 А, потребляемая мощность не более 40 кВА, масса не более 300 кг. Установка снабжена блокировками и предохранительными устройствами, исключающими дефекты закалки и выход плазмотрона из строя при неполадках с водо и газоснабжением, а также при сбоях в работе станка, перемещающего обрабатываемую деталь.
На производственной площадке ООО «ТУР-1» (г. Пермь) посредством УПЗА-1 упрочнялись ребристые ролики (сталь 50) раскатного поля стана 5000 для Магнитогорского металлургического комбината с увеличением твердости от 27 HRC до 59 HRC (Рис.12).
С помощью такой установки упрочнялись многие детали в ОАО «Северский трубный завод» (г. Полевской). В том числе шаблоны технологические, (сталь 32Г2), срок эксплуатации которых после плазменного упрочнения повысился на 40% (Рис. 13). Плазменная закалка увеличила твердость рабочей поверхности от HB 180 до 50 HRC.
Такие установки нашли своё применение при закалке дистанционных колец для ОАО «Уралмашзавод», (сталь 34ХН1М) с повышением твердости от 33..35 до 59 HRC, при упрочнении ручьев шкивов (сталь 45), для ЗАО «Уралмаш Буровое Оборудование» с увеличением твёрдости от 27 до 52 HRC, валов сталь 40Х с повышением твердости от HB 236 до 52 HRC для ОАО «СПЕЦНЕФТЕХИММАШ» (г. Краснокамск) и др.
Из наиболее примечательных вариантов технологических решений по упрочнению установкой УПЗА следует отметить закалку штоков толкателя пресс-ножниц (производства Франции) на ОАО «Трубная металлургическая компания» г. Полевской (рис. 14). Длина штока более 9 метров, диаметр – 180мм. Он был изготовлен для аварийной замены из стали 21ХМФА. Плазменной закалкой удалось увеличить твердость поверхностного слоя с HB 130 до 40 HRC без продольной деформации штока, и пресс-ножницы продолжают бесперебойную работу вот уже более двух лет.
Установки УПЗА были изготовлены и поставлены для Полтавского Горно-обогатительного комбината (г. Комсомольск, Украина), ООО НПО Техногрупп (г. Волгоград), Механический завод (г. Бийск). Такие установки эффективно работают при закалке гребней бандажей локомотивов на Лебединском и Качканарском горно-обогатительных комбинатах.
Конструкция установок для плазменной закалки основана на использовании узлов и блоков современного серийного сварочного оборудования, что обеспечивает малые габариты, мобильность, высокую эксплуатационную надежность, простоту эксплуатации и обслуживания.
В 2012 году сотрудниками лаборатории плазменных процессов Нижнетагильского технологического института была создана и успешно испытана универсальная установка плазменной закалки в ручном и автоматическом режиме УУПЗ-1 (Рис. 15). С помощью этого оборудования появилась возможность упрочнять практически любые детали как с относительно простой геометрией, так и поверхности с развитым профилем. В качестве источника плазменной дуги в УрФУ был разработан и изготовлен инверторный выпрямитель. Напряжение питающей сети – 380 В, номинальный рабочий ток — 350 А, КПД установки – 0,9; масса – не более 40 кг.
Мобильность УУПЗ-1 позволяет проводить закалку с выездом на производственную площадку заказчика. Так, например, в ООО «Уралтехпромсервис» (г. Екатеринбург) проводилась термообработка валов (сталь 40Х) с увеличением твердости от 27 до 62 HRC (рис. 16). Диаметр вала 170 мм, длина 3500 мм.
Для ОАО «СПЕЦНЕФТЕХИММАШ» (г. Краснокамск) упрочнялись шлицы и шейки валов (сталь 40Х) от 25 до 52 HRC (Рис. 17).
Все перечисленные установки удовлетворяют условиям промышленной эксплуатации и отвечают требованиям по экологии и безопасности к проведению работ по аргонодуговой сварке.
Внедрение таких установок не требует существенных капитальных затрат. Необходима организация одного или нескольких рабочих мест (в зависимости от желаемых объемов внедрения), подобных рабочим местам для аргонодуговой сварки, Рабочее место должно быть обеспечено источником и сливом водопроводной воды для охлаждения плазмотрона.
Предлагаем внедрить прогрессивный метод поверхностной плазменной закалки, повышающий стойкость, долговечность инструмента, прокатных валков и деталей машин различного назначения
1. Сущность плазменной закалки
Низкотемпературная плазма (5000...50000 0 К) относится к концентрированным источникам энергии и находит все большее применение для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента из различных сплавов.
Сущность плазменной закалки заключается в локальном нагреве участка поверхности со скоростями 10 3 ...10 4 0 С/с до высоких температур с последующим охлаждением со сверхкритической скоростью за счет теплоотвода во внутренние слои изделия. При этом формируется специфическая мелкодисперсная структура с высокими эксплуатационными характеристиками.
2. Преимущества плазменной закалки
При закалке концентрированными источниками энергии в силу специфичности обработки (высокие скорости нагрева и охлаждения) удается получить такую структуру и свойства поверхностного слоя, которые недостижимы при традиционных способах термической обработки.
Основные преимущества плазменной закалки:
Локальность нагрева, упрочняется только поверхностный слой, а сердцевина остается вязкой, что обусловливает повышенное сопротивление износу и усталости;
Высокая твердость и износостойкость поверхности;
Отсутствие или минимальные деформации упрочняемых деталей, что позволяет повысить точность их изготовления, снизить трудоемкость механической обработки и затраты на изготовление деталей;
Высокая производительность - 2 - 9 м 2 /час;
При закалке без оплавления поверхности не требуется последующая механическая обработка (шлифовка), т.е. плазменную закалку можно использовать как финишную операцию;
Наличие в поверхностном слое сжимающих напряжений и большого количества остаточного аустенита (стали, чугуны) повышает сопротивляемость зарождению и распространению трещин;
Закалка производится в большинстве случаев без принудительного охлаждения, т.е. не требуются охлаждающие среды и приспособления.
Как и другие концентрированные источники энергии (лазер, электронный луч), плазма имеет некоторые новые возможности:
Возможность замены дефицитных высоколегированных сталей на низколегированные, упрочненные плазменной закалкой;
Возможность замены износостойких сталей на низкоуглеродистые с наплавленным рабочим слоем, упрочненным плазменной закалкой;
Возможность закалки локальных участков поверхности (кромки дисковых ножей, вырубных и гибочных штампов, зубьев пил, шин электро- и бензопил, места под манжеты, подшипники, фрагменты гравюр штампов и калибров прокатных валков и т.д.);
Возможность автоматизации процесса и включение закалочных установок в состав гибких производственных систем, автоматических линий.
По сравнению с лазерной закалкой плазменная имеет следующие преимущества:
Стоимость оборудования такой же мощности на порядок ниже;
Простота работы на установке и ее обслуживания, т.е. не требуется высококвалифицированный обслуживающий персонал;
Мобильность установки, т.е. возможность перемещения оборудования и быстрого монтажа на любом станке, обеспечивающем нужную скорость вращения детали или перемещения плазмотрона;
Не требуется, как при лазерной закалке, наносить на поверхность специальные покрытия для увеличения поглощения лазерного излучения;
Высокий КПД, достигающий 85 %;
Возможность плавного регулирования в процессе закалки параметров режимов в широких пределах, т.е. изменения глубины, ширины, структуры и свойств закаленной зоны.
К недостаткам плазменной закалки относятся:
Частичный отпуск в местах наложения закаленных полос;
Необходимость зачистки поверхности закаливаемых изделий от различных загрязнений (окалины, ржавчины, масла);
Необходимость принудительного охлаждения изделий малого диаметра и малой толщины для получения высокой твердости поверхности.
3. Оборудование и технология плазменной закалки
Установка для плазменной закалки состоит из:
Плазмотрона (или нескольких плазмотронов);
Источника питания;
Осциллятора для зажигания плазменной дуги;
Пульта управления с контрольно-измерительными приборами;
Станка, вращателя или манипулятора, обеспечивающего рабочую скорость перемещения плазменной дуги относительно поверхности упрочняемого изделия;
Приспособлений для крепления и настроечных перемещений плазмотрона;
Системы водоснабжения для охлаждения узлов плазмотрона;
Системы газоснабжения для подачи плазмообразующего газа или смеси газов.
Основной исполнительный орган - плазмотрон, в котором генерируется низкотемпературная плазма.
В качестве плазмообразующего газа используются водород, азот, углекислый газ, воздух, аргон, гелий или их смеси. При этом изменяются теплофизические характеристики плазмы.
В качестве источников питания можно использовать специализированные с повышенным напряжением холостого хода или обычные сварочные выпрямители типа ВД-306, ВДУ-504 и др.
Выбор типа и конструкции плазмотрона, плазмообразующего газа и источника питания взаимосвязан и зависит от конкретно поставленной задачи. Мощность установки может быть различной и составляет от 5 до 50 кВт. Производительность установки - до 2,5 м 2 /час в зависимости от требуемой глубины и степени наложения закаленных полос.
Перед закалкой поверхность изделия очищается от загрязнений. Процесс закалки после зажигания дуги происходит при перемещении плазменной дуги (струи) относительно поверхности упрочняемого изделия, что может осуществляться различными способами: закреплена деталь, перемещается плазмотрон; деталь перемещается (вращается), закреплен плазмотрон; перемещаются и деталь, и плазмотрон.
Например, закалка цилиндрических деталей производится, как правило, по винтовой линии, что достигается при одновременном вращении детали и перемещении плазмотрона вдоль оси вращения. При закалке всей поверхности изделия, упрочненные полосы наносят с наложением. Для получения равномерной глубины слоя и распределения твердости по поверхности степень наложения (перекрытия) выбирают в пределах 45...55 %.
Основными параметрами режима плазменной закалки, которые устанавливаются на основании исследований опытных образцов или подбираются в процессе закалки, являются:
Линейная скорость перемещения (0,5...6 см/с);
Ток плазменной дуги (50...1 000 А);
Напряжение дуги (20...200 В);
Расстояние от сопла плазмотрона до поверхности изделия (2...100 мм);
4. Некоторые характеристики упрочненного слоя
К геометрическим характеристиками относятся глубина и ширина зоны плазменного воздействия (ЗПВ). Они зависят от параметров режима закалки, теплофизических свойств упрочняемого сплава и его структурного состояния.
При плазменной закалке дугой прямого и косвенного действия без оплавления поверхности глубину ЗПВ можно изменять в пределах 0,1...1,8 мм и до 5 мм соответственно. Ширину ЗПВ можно регулировать в пределах 1...40 мм. Большую ширину ЗПВ можно получить за счет сканирования дуги или поперечных колебаний плазмотрона. Для получения большей глубины закалка производится с оплавлением, но требуется дополнительная механическая обработка, что не всегда целесообразно.
Следует отметить, что даже при режимах, при которых не наблюдается видимого оплавления поверхности упрочняемого изделия, происходит изменение микрорельефа: уменьшается среднеарифметическое отклонение профиля R а, уменьшается высота микронеровностей R z , увеличивается радиус закругления вершин r, т.е. идет микрооплавление вершин неровностей. Это благоприятно сказывается на изменении параметров шероховатости и способствует не только повышению твердости поверхности, но и увеличивает ее несущую способность, повышает эксплуатационные свойства упрочненных изделий.
5. Материалы, упрочняемые плазменной закалкой
Плазменной закалке из твердого состояния, т.е. без оплавления, подвергают в основном стали, чугуны и титановые сплавы. При закалке из жидкого состояния, т.е. с оплавлением поверхности, к этим материалам добавляются некоторые алюминиевые и медные сплавы.
Значения твердости, получаемые при закалке без оплавления, могут изменяться в широких пределах и составляют в единицах HRC э:
Для низкоуглеродистых сталей - 32...40;
Для среднеуглеродистых сталей - 52...60;
Для чугунов - 50...60.
Твердость и степень упрочнения зависят, в первую очередь, от содержания углерода. Оказывают влияние и другие факторы: легирующие элементы (хим. состав, класс стали), количество и форма графитных включений в чугунах, условия охлаждения (масса изделий, степень наложения полос, наличие охлаждающих сред и т.д.).
При плазменной закалке с оплавлением сталей с содержанием углерода > 0,4 % и чугунов твердость выше. Однако следует заметить, что при этом ухудшаются пластические свойства и возрастает склонность к трещинообразованию.
По данным литературных источников и по результатам исследований, проведенных сотрудниками Плазменной лаборатории Нижнетагильского филиала УГТУ-УПИ (рук. Бердников А.А.) и Проблемной лаборатории металловедения Екатеринбургского УГТУ-УПИ (рук., проф. Филиппов М.А.), плазменной закалкой можно с высокой эффективностью упрочнять:
Углеродистые конструкционные стали (45, Ст.4 и др.);
Конструкционные низколегированные стали (38ХС, 40Х, 30ХГСА и др.);
Низкоуглеродистые стали различной степени легирования после цементации (20, 12ХН3А, 20Х2Н4А и др.);
Пружинные стали (50ХФА, 65Г и др.);
Штамповые стали (4Х5ФМС, 5ХНМ и др.);
Валковые (50, 60ХН, 9Х, 9Х2МФ, 150ХНМ и др.);
Углеродистые инструментальные (У8, У10 и др.);
Серые чугуны (с пластинчатым графитом);
Ковкие чугуны (с хлопьевидным графитом);
Высокопрочные чугуны (с шаровидным и вермикулярным графитом);
И т.д.
6. Примеры эффективного использования плазменной закалки
А) НТМК, РБЦ и ЦПШБ; 1985-1988 гг., г. Н. Тагил.
Закалка деталей роликоправильных машин: бандажей, роликов, планшайб из сталей 40Х, 34ХН1М, 5ХНМ. Закалено более 700 деталей.
Технический эффект : повышение твердости с НВ 340...420 до HRC 54...60; повышение стойкости в 2,5-3 раза. Закалка скатов мостовых кранов из стали 38ХГН. Закалено 16 штук. Технический эффект: повышение твердости с НВ 360 до HRC 53...55.
б) ВСМПО, 1989 г., г. Верхняя Салда.
Закалка крупногабаритных штампов со сложными гравюрами для полугорячей штамповки титана. Материал - штамповые стали 5ХНМ, 5ХНВ после объемной закалки с отпуском. После нескольких переточек снимается закаленный рабочий слой и остается нетермообработанная сердцевина.
Технический эффект : повышение твердости с НВ 280...380 до HRC 60...63, повышение стойкости на 25...100 %.
В) Высокогорский механический завод, 1988-1992 гг., г. Н. Тагил.
Закалка направляющих тельтоматов Æ 100 мм, длина 2600 мм, сталь 45.
Технический эффект : повышение твердости с НВ 420 до HRC 52...54, минимальные поводки (0,16...0,22 мм), улучшение шлифуемости.
Закалка валов, осей, посадочных мест под подшипники, кромок плоских направляющих и др. деталей (14 наименований) из конструкционных низколегированных и пружинных сталей.
Закалка пильных шин электропил «ЭЛПИ». Закалено свыше 1000 шт., сталь 7ХНМ. Технический эффект : повышение твердости с HRC 41...43 до HRC 59...61.
Разработана, изготовлена и внедрена на ВМЗ установка для плазменного нагрева полых медных трубок для высокопроизводительной намотки индукторов различных типоразмеров.
г) УВЗ, 1991 г., г. Н. Тагил.
Внедрена установка плазменной закалки деталей из конструкционных легированных сталей (4 наименования).
Технический эффект : повышение твердости с НВ 280...380 до HRC 50...58.
д) Режевской механический завод, 1990-1991 гг., г. Реж.
Внедрена установка плазменной закалки цилиндрических деталей Æ 60...150 мм из конструкционных низколегированных сталей.
Технический эффект : повышение твердости с НВ 240...280 до HRC 50...54.
е) Лысьвенский металлургический завод, 1990...1992 гг., г. Лысьва.
Внедрены 2 установки плазменной закалки для закалки различных деталей (6 наименований) из конструкционных углеродистых и низколегированных сталей.
Технический эффект : минимальные поводки, повышение твердости с НВ 260...380 до HRC 50...56.
ж) Серовский металлургический завод, 1989-1992 гг., г. Серов.
Закалка валков горячей прокатки обжимных, черновых и получистовых клетей для прокатки круга 180...200, ромбического и шестигранного подката. Материал валков - стали 70Л, 150Х2Г2НМ.
Технический эффект : повышение твердости до HRC 52...56, повышение стойкости валков на 20...80 %, снижение склонности к образованию грубой сетки разгара.
Закалка роликов холодной прокатки для производства шестигранника. Материал валков - стал 9ХФ после объемной закалки и низкого отпуска.
Технический эффект : повышение твердости с HRC 54...58 до HRC 61...63, повышение стойкости роликов на 15...20 %.
з) Качканарский ГОК, 1999-2000 гг., г. Качканар.
Внедрена стационарная установка для плазменной закалки гребней бандажей тепловозов, электровозов и тяговых агрегатов. На 2003 г. закалено более 1000 бандажей.
Технический эффект : повышение до HRC 50...54, повышение стойкости на 25 % по сравнению с закалкой ТВЧ и в 2,0...2,5 раза по сравнению с бандажами в состоянии поставки.
и) Красноуральский медеплавильный завод, 1998...2001 гг., г. Красноуральск.
Закалка крупномодульных приводных косозубых шестерен для мельниц. Материал шестерен - сталь 40Х и 45.
Технический эффект : повышение твердости до HRC 52...56 и стойкости в 2,2-2,8 раза.
к) НТМК, обжимной, крупносортный, рельсобалочный цеха1995...2009 гг., г. Н. Тагил.
Закалка стальных и чугунных валков для прокатки швеллеров, уголков, круга, квадрата, рельсов, хребтовой балки, круга. Закалено более 8000 валков весом от 7 до 34 т.
Технический эффект : повышение стойкости валков до 80 %, снижение удельного расхода на 25...45 % кг/т в зависимости от клети и прокатываемого профиля. Фактическая экономия 3 - 9 руб. на 1 руб. затрат.
л) НТМК, 2000-2009 гг.
Закалка бандажей роликоправильных машин из сталей 45, 45 ХНМ для правки сортового проката. Закалено более 650 бандажей.
Технический эффект : повышение твердости до HRC 52...56, увеличение стойкости в 1,6-3,1 раза.
м) ЗАО «Горнозаводсктранспорт», г. Горнозаводск, 2003 г.
Внедрена мобильная (переносная) установка для плазменной закалки гребней бандажей тепловозов.
Технический эффект
н) ОАО «Карельский окатыш», г. Костомукша, 2004 г.; ОАО «Михайловский ГОК», г. Железногорск, 2006г; ОАО «Лебединский ГОК», г. Губкин, 2006 г.
Внедрена стационарная установка для плазменной закалки гребней и бандажей тепловозов на базе станка КЖ-20.
Технический эффект : повышение твердости поверхности до HRC 50...54, повышение стойкости в 2,0-2,5 раза по сравнению с бандажами в состоянии поставки.
о) ОАО «УРАЛАСБЕСТ» (г. Асбест, Свердловская обл. 2007г.) Внедрена стационарная установка для плазменной закалки гребней и бандажей тепловозов на базе станка КЖ-20.
Технический эффект : повышение твердости поверхности до HRC 52...58, повышение стойкости в 1,8-2,5 раза по сравнению с бандажами в состоянии поставки.
п) ОАО «НТМК» (г.Нижний Тагил, 1995-2010 г.г.) Плазменная закалка валков горячей прокатки в ОЦ-1(до 1999г.), в КСЦ и РБЦ на постоянной основе по ежегодным договорам подряда.
Технический эффект : повышение стойкости, наработки и снижение удельного расхода валков в 1,2-1,6 раза.
Таким образом, плазменная закалка внедрена на многих машиностроительных, металлургических предприятиях, горно-обогатительных комбинатах России. Спроектированы, изготовлены и смонтированы стационарные мобильные установки для плазменной закалки деталей машин и инструмента на токарно-винторезных, наплавочных, токарно-карусельных, вальцетокарных и вальцешлифовальных станках. Установки оснащены плазмотронами собственной разработки для закалки дугой прямого и косвенного действия, со сканированием дуги и без, в том числе ручные плазмотроны для закалки локальных участков деталей машин и инструмента.
1Приведены результаты исследований регулирования глубины слоя, его фазового состава и микротвёрдости образцов из нормализованной стали У10 после поверхностной плазменной закалки без оплавления посредством изменения параметров процесса - тока плазменной дуги и скорости её перемещения относительно упрочняемой поверхности. Показано, что с повышением скорости при прочих постоянных параметрах режима закалки ширина, глубина и максимальная микротвёрдость упрочнённой зоны уменьшаются, а с повышением тока дуги – увеличиваются. При этом соотношение количества мартенсита и остаточного аустенита, а также твёрдость поверхности изменяется по сложной зависимости, определяется полнотой растворения цементита в аустените и гомогенизацией последнего. Возможность регулирования глубины, фазового состава и свойств упрочнённой зоны изменением параметров режима позволяет применять результаты проведённых исследований при практическом использовании плазменной закалки.
плазменная закалка
ток плазменной дуги и скорость её перемещения
глубина слоя зоны плазменного влияния
фазовый состав
микротвёрдость поверхности
1. Бердников А.А., Филиппов М.А., Студенок Е.С. Структура закаленных углеродистых сталей после плазменного поверхностного нагрева // МиТОМ. – 1997. – № 6. – С. 2–5.
2. Крапошин В.С. Термическая обработка стали и сплавов с применением лазерного луча и прочих прогрессивных видов нагрева. Металловедение и термическая обработка. Т. 2.: Итоги науки и техники. ВИНИТИ АН СССР. М., 1987. С. 144–206.
3. Линник В.А., Онегина А.К., Андреев А.И. Поверхностное упрочнение сталей методом плазменной закалки // МиТОМ. – 1983. – № 3. – С. 2–5.
4. Федосов С.А. Влияние лазерной обработки на содержание остаточного аустенита в углеродистых и хромистых сталях // ФиХОМ. – 1990. – №5. – С.18–22.
5. Rogger R. Durcissiment superficial par plasma des aciers an carbone et des to tes. – Revue de Metallugie, 1979, № 7, p. 532–537.
Для повышения износостойкости деталей машин и инструмента применяются различные способы поверхностного упрочнения. Наиболее перспективными являются способы с применением высококонцентрированных источников нагрева - лазера, электронного луча, низкотемпературной плазмы . При этом очевидным является выполнение двух условий - получение упрочнённого слоя глубиной, не превышающей величину допустимого износа, и получение в слое оптимальной для данного вида износа структуры и свойств. Первое особенно важно для деталей сменного оборудования (прокатные валки, штампы и др.), которые подвергают ремонту - переточке на меньший размер, поскольку механическая обработка невыработанного упрочнённого слоя вызывает затруднения.
Плазменной закалкой эффективно упрочняются тонкие (0,7-1,5 мм) или более глубокие (до 2-5 мм) слои изделий из углеродистых и низколегированных сталей с содержанием углерода 0,4 % и выше, а также чугунов, нитроцементированных и цементированных сталей. Образующиеся в зоне термического влияния закалочные структуры обладают повышенными твёрдостью, прочностью и износостойкостью.
Параметры процесса плазменной закалки - ток плазменной дуги и скорость перемещения (основные), расход плазмообразующего газа, расстояние между плазмотроном и изделием. Конкретной информации относительно взаимосвязи изменяемых параметров закалки с глубиной формирующегося слоя, его структурой и свойствами в литературе недостаточно.
В данной работе приведены результаты исследований регулирования глубины слоя, его микроструктуры и микротвёрдости образцов из стали У10 после поверхностной плазменной закалки без оплавления дугой прямого действия обратной полярности.
Материал и методы исследования
Химический состав стали удовлетворяет ГОСТ 1435-74, содержание углерода - 1,01%. Исходная структура нормализованной стали У10 состояла из перлита и структурного свободного цементита в виде сетки по границам зёрен. Постоянные параметры режима - длина дуги и расход плазмообразующего газа аргона - составили соответственно 6 мм и 7,5 л/мин. Для изучения особенностей формирования структуры, влияния параметров режима на фазовый состав и микротвёрдость зоны плазменного влияния (ЗПВ) исследовались плоские образцы размером 25 х 12 х 70 мм, упрочнённые при трёх фиксированных значениях линейной скорости перемещения плазмотрона относительно поверхности образца Vлин, равных 1,25 см/с, 2 см/с и 3 см/с в четырёх токовых интервалах I = 120-125 А, 140-150 А, 160-170 А и 195-205 А. Глубину ЗПВ измеряли на поперечных шлифах по центру упрочнённого сегмента, для замеров микротвёрдости (Нμ) использовали прибор ПМТ-3 при нагрузке 0,49 Н. Фазовый состав определяли на дифрактометре ДРОН-3 в железном Кα излучении.
Результаты исследования и их обсуждение
Кривые изменения микротвёрдости закалённой зоны по глубине исследуемых образцов приведены на рис. 1 (а-к). Полнота протекания процесса растворения вторичного и перлитного цементита при плазменном нагреве и гомогенизации аустенита определяются температурой, которая зависит от величины тока плазменной дуги, и временем пребывания при этой температуре, то есть скоростью перемещения плазмотрона. В микроструктуре образцов, обработанных плазмой при минимальном I (а, следовательно, и температуре) при всех исследуемых Vлин обнаружены нерастворённые при нагреве карбиды, что, по-видимому, и объясняет пониженную микротвёрдость мартенсита закалки (рис. 1 а, б, в). С увеличением скорости обработки от 1,25 см/с до 3 см/с максимальная микротвёрдость мартенсита уменьшается с 10000 МПа до 8800 МПа (рис. 2). На поверхности образцов, обработанных в первом токовом интервале, по данным рентгеноструктурного анализа содержится остаточный аустенит, сосредоточенный в тонком поверхностном слое: при скорости перемещения плазмотрона 1,25 см/с - 47 %, при скорости 2 см/с - 29 %, при скорости 3 см/с - 27 %. Металлографически было выявлено, что именно в этом слое наблюдается снижение микротвёрдости (рис. 1 а-в). Результирующая средняя микротвёрдость поверхности (рис. 3) определяется тремя конкурирующими факторами: максимальной микротвёрдостью мартенсита охлаждения (условно Мзак), количеством менее твёрдого остаточного аустенита γост и обеднённого углеродом мартенсита (условно Мотп), образовавшегося на участках неполной гомогенизации аустенита. Незавершённость процессов гомогенизации γ-твёрдого раствора подтверждается асимметрией линий (111) и (200) аустенита на дифрактограмме со стороны больших углов. Глубина ЗПВ (h) при данной величине I с увеличением Vлин от 1,25 cм/с до 3 см/с уменьшается с 0,45 мм до 0, 25 мм (рис. 4).
При токе дуги 140-150 А на поверхности закалённых образцов также формируется структура аустенитно-мартенситного типа с содержанием γост 70 %, что, естественно, приводит к уменьшению микротвёрдости поверхности до 9000-9500 МПа (рис. 1 г, д; рис. 3). На глубине от поверхности ~ 200 мкм структура этих образцов состоит преимущественно из высокоуглеродистого αм мартенсита, имеющего максимальную микротвёрдость Hμ = 11000 МПа и 10500 МПа (рис. 2), что выше Hμ αм, полученного при I = 125 А. Поскольку эти значения микротвёрдости αм для стали У10 являются предельными, можно предположить наличие дисперсных карбидов в структуре наряду с мартенситом. Переходная зона, где нерастворённые карбиды отчётливо видны в форме бывшей цементитной сетки и отдельных включений, состоит из мартенсита, троосто-мартенсита и перлитоподобных структур. Увеличение I со 120-125 А до 140-150 А сопровождается увеличением h при всех Vлин (рис. 1).
Дальнейшее повышение тока дуги до 160-170 А в ещё большей степени способствует насыщению аустенита углеродом при нагреве и увеличению максимальной Hμ Мзак до 12000-11000 МПа (рис. 1 е, ж, з; рис. 2; рис. 3). При этом необходимо отметить и увеличение количества γост на поверхности образцов до 78 % и 58 % соответственно Vлин = 2 и 3 см/сек, хотя твёрдость поверхности остаётся на уровне 9500 МПа и даже несколько выше - 10000 МПа. Взаимосвязь Hμ αм и % γост на рис. 5 поясняет отсутствие снижения микротвёрдости. Однако при Vлин = 1,25 см/с оно есть и со снижением γост с 70 % до 41 % микротвёрдость поверхности падает до 8000 МПа (рис. 1 е). Изменение при данной скорости % γост в меньшую сторону не является исключением, а указывает на сложный характер его зависимости от тока дуги: при Imax, близком к критическому, при котором начинается микрооплавление поверхности, % γост за счёт наиболее полной гомогенизации аустенита минимален. Падение же микротвёрдости обусловлено более сильным разогревом образца, снижением за счёт этого скорости охлаждения и увеличением Мотп к общему количеству мартенсита до 100 %. Глубина ЗПВ в третьем интервале токов также уменьшается с 1,51 мм до 0,47 мм с увеличением скорости перемещения плазмотрона (рис. 1 е, ж, з).
В четвёртом интервале токов дуги 195-200 А зафиксирована максимальная из исследуемых микротвёрдость α мартенсита, равная 12500 МПа (рис. 1 и, к; рис. 2). Подобная микротвёрдость мартенсита в стали У10, согласно литературным данным, указывает на предельное насыщение аустенита углеродом ~ 1,0 % при нагреве, то есть на полное растворение карбидов. Увеличение скорости перемещения плазмы до 3 см/с при том же токе не обеспечивает столь же высокую микротвёрдость αм, что, очевидно, объясняется недостатком времени температурного воздействия для протекания диффузионных процессов в полном объёме. Тем не менее, микротвёрдость поверхности закалки этих образцов невелика и составляет 8000-7500 МПа. Причиной тому наличие в структуре до 85 % γост.
На основании полученных результатов установлено, как в общем случае меняется глубина ЗПВ, максимальная микротвёрдость αм и средняя микротвёрдость поверхности закалки в зависимости от Vлин и I. На рис. 2 показано изменение max Hμ мартенсита с увеличением Vлин. Для всех исследуемых диапазонов I дуги эта зависимость одинакова: с увеличением скорости обработки максимальная микротвёрдость мартенсита уменьшается. Результирующая микротвёрдость мартенсита закалки зависит от содержания в нём углерода и обусловлена степенью обогащения аустенита углеродом при нагреве и скоростью охлаждения этого аустенита. Причём, если в первом случае с уменьшением скорости обработки насыщение аустенита углеродом увеличивается, что приводит к увеличению микротвёрдости мартенсита, то во втором случае напротив - уменьшение скорости охлаждения может повлечь самоотпуск мартенсита и, следовательно, уменьшение его микротвёрдости. При всех исследованных режимах, несмотря на высокую скорость охлаждения, происходит в той или иной степени процесс самоотпуска: мартенсит, образующийся в результате охлаждения, так же, как и остаточный аустенит, неоднороден по своему составу и на рентгенограммах присутствуют линии Мотп. Таким образом, скорость обработки неоднозначно влияет на факторы, определяющие микротвёрдость мартенсита закалки. Анализ результатов данного исследования показывает, что в случае плазменной обработки стали У10 решающую роль играет степень насыщения матрицы углеродом при нагреве , то есть с уменьшением скорости обработки в интервале от 3 до 1,25 см/с при неизменном токе микротвёрдость мартенсита увеличивается.
Аналогичное объяснение можно дать зависимости Hμ αм от I (рис. 3), поскольку увеличение температуры при одном и том же времени выдержки также сопровождается большей полнотой протекания диффузионных процессов при нагреве, то есть способствует обогащению αм углеродом.
Проанализированы зависимости изменения Hμ поверхности закалённых образцов от I, график приведен на рис. 3. Очевидно, что максимальная микротвёрдость мартенсита закалки, которая определяется количеством углерода в нём, пропорционально связана с количеством γост на поверхности закалённых образцов. Это подтверждает предположение о том, что количество γост в заэвтектоидной стали может служить индикатором полноты протекания диффузионных процессов в ЗПВ. Однако, исследование должно быть продолжено и выяснена возможная роль атмосферного азота в формировании структуры тонкого поверхностного слоя, что не исключает автор работы . Полученные данные (рис. 3) объясняют наличие максимума на кривых 4, 5, 6, когда результирующая микротвёрдость на поверхности скоростной закалки определяется, с одной стороны, микротвёрдостью мартенсита, а с другой - количеством остаточного аустенита в нём.
Уменьшение глубины h с увеличением Vлин (рис. 4) прослеживается для всех четырёх исследованных диапазонов токов. Эта зависимость вполне оправдана, так как скорость перемещения плазмотрона определяет время воздействия температуры и, следовательно, глубину прогрева металла. На том же рисунке показана также связь глубины ЗПВ и величины тока дуги при трёх скоростях её перемещения. Наиболее существенно, от 0,45 до 1,51 мм, h возрастает с увеличением I от 120 до 160 А при Vлин = 1,25 см/с. При Vлин = 2 см/с h изменяется от 0,38 до 1,25 мм с ростом I от 125 до 195 А, а при Vлин = 3 см/с - от 0,25 до 0,74 мм соответственно. Очевидно, что с увеличением скорости перемещения плазмотрона относительно поверхности образца влияние величины тока на глубину ЗПВ становится всё менее существенным.
Выводы
1. При плазменной закалке дугой прямого действия обратной полярности нормализованной стали У10 в исследуемом интервале линейных скоростей обработки и токов дуги глубина упрочнённой зоны составляет 0,25-1,51 мм.
2. Сложный характер зависимости фазового состава и микротвёрдости на поверхности и по глубине зоны плазменного влияния от параметров режима плазменной закалки без оплавления определяется полнотой растворения цементита в аустените и гомогенизацией последнего, то есть, максимальной температурой нагрева и временем пребывания при этой температуре.
3. Увеличение силы тока или уменьшение скорости перемещения плазменной дуги вызывает увеличение степени растворения избыточного цементита и, как следствие, образование высокоуглеродистого мартенсита с повышенной микротвёрдостью при охлаждении.
4. Возможность регулирования глубины, фазового состава и свойств упрочнённой зоны изменением параметров режима позволяет применять результаты проведённых исследований при практическом использовании плазменной закалки.
Рис. 1. Распределение микротвёрдости по глубине ЗПВ
а, г, е - Vлин=1,25 см/с; б, д, ж, и - Vлин=2 см/с; в, з, к - Vлин=3 см/с;
а, б, в - I=120-125 A; г, д - I=140-150 A; е, ж, з - I=160-170 A;
и, к - I=195-205 A.
Рис. 2. Зависимость максимальной микротвёрдости от скорости перемещения плазменной дуги: 1 - I=120-125 A; 2- I=140-150 A;
3 - I=160-170 А; 4 - I=195-205 А.
Рис. 3. Зависимость микротвёрдости от тока плазменной дуги:
1, 2, 3 - Hmax мартенсита закалки; 4, 5, 6 - твёрдость поверхности;
1, 4 - Vлин=1,25 см/с; 2, 5 - Vлин=2 см/с; 3, 6 - Vлин=3 см/с.
Рис. 4. Зависимость глубины ЗПВ от скорости перемещения:
1 - I=120-125 A; 2- I=140-150 A; 3 - I=160-170 А; 4 - I=195-205 А.
Рецензенты:
Фарбер В.М., д.т.н., профессор кафедры термообработки и физики металлов, Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург;
Юдин Ю.В., д.т.н., профессор кафедры термообработки и физики металлов, Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург.
Библиографическая ссылка
Бердников А.А., Филиппов М.А., Бердников А.А., Алисова Г.В., Безносков Д.В. РЕГУЛИРОВАНИЕ ГЛУБИНЫ УПРОЧНЁННОГО СЛОЯ, ФАЗОВОГО СОСТАВА И СТРУКТУРЫ СТАЛИ У10 ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ ЗАКАЛКЕ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-3.;URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=23982 (дата обращения: 25.11.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
