Плазменная закалка оборудование. Прогрессивный метод поверхностной плазменной закалки, повышающий стойкость, долговечность инструмента, прокатных валков и деталей машин различного назначения
Задачей технологии плазменного упрочнения является получение на детали упрочненного слоя с заданными эксплуатационными характеристиками (износостойкость, прочность, трещиностойкость, выносливость и др.).
Технологические процессы, в которых материал подвергают воздействию концентрированных потоков энергии в виде электронного луча, лазера, плазмы (сварка, наплавка, резка, упрочнение, напыление), в настоящее время достаточно распространены в промышленности.
К достоинствам обработки электронным лучом в вакууме следует отнести высокие значения эффективного КПД нагрева (h » 0,85) при общем КПД технологических электронно-лучевых установок 50%, возможность передачи потоков энергии мощностью более 40-100 кВт, отсутствие окисления нагреваемой поверхности, высокую производительность процесса и др. В то же время большие капитальные затраты на приобретение и монтаж оборудования, затраты, связанные с его эксплуатацией и обслуживанием, ограничивают применение электронно-лучевой обработки деталей крупносерийным и массовым производством в машиностроении и инструментальной промышленности.
Лазерная обработка интенсивно развивается, но основное распространение получили лазеры мощностью до 5 кВт. Лазеры большей мощности являются дорогостоящим оборудованием, эксплуатация которого экономически целесообразна при его загрузке на 80-90%.
Лазерное излучение обеспечивает наиболее высокую концентрацию нагрева (плотность мощности) 10 8 -10 9 Вт/см 2 , но не для всех технологических процессов это преимущество может быть реализовано. Так, при упрочнении без оплавления существует критическая плотность мощности Е кр, выше которой происходит оплавление поверхности. Для различных сталей значение Е кр находится в интервале (2-6)10 4 Вт/см 2 , т. е. используется диапазон плотности мощности, характерный для плазменной обработки.
Плазменные источники обеспечивают плотность мощности 10 4 -10 5 Вт/см 2 , т. е. меньше, чем электронный и лазерный луч, но их единичная мощность может достигать 160 кВт и более, а эффективный КПД нагрева - 0,72. Плазменное оборудование по стоимости и сложности изготовления вполне сопоставимо с электродуговым. Его широко применяют для резки, наплавки, напыления, сварки и более ограниченно для упрочнения.
Способы плазменного упрочнения
Следует выделить два направления использования плазменного нагрева. Первое связано с использованием нагрева, осуществляемого плазмой тлеющего разряда в вакуумной камере при давлении остаточного воздуха 1,33-13,3 Па. Этот процесс получил распространение для химико-термической обработки инструмента и других малогабаритных деталей. К недостаткам способа следует отнести наличие вакуумной камеры и ограничение обрабатываемых деталей ее размерами. Кроме того, плотность мощности, передаваемая обрабатываемой детали, небольшая.
К этому же направлению следует отнести и технологию электролитно-плазменного упрочнения. Электролитный нагреватель, включенный в электрическую цепь в качестве анода, подводят к изделию, которое является катодом. Замыкание электрической цепи между анодом-электронагревателем и поверхностью изделия происходит через электролит (водный раствор соли). Преобразование электрической энергии в тепловую идет преимущественно в приграничном к изделию слое. В результате нагрева этот слой переходит в парогазовое состояние, в нем под воздействием приложенного напряжения возбуждаются микродуги. Плотность мощности достигает 2,4 × 10 3 Вт/см 2 . Так как в качестве электролита используют водный раствор соли, то этим же электролитом можно производить охлаждение и закалку нагретых участков поверхности.
Второе направление применения плазменного нагрева базируется на использовании сжатой дуги прямого или косвенного действия, генерируемой специальным плазмотроном. Под воздействием стенок канала сопла и струи плазмообразующего газа столб дуги сжимается, его поперечное сечение уменьшается, а температура в центральной части столба дуги повышается до 10 000-50 000 К. В результате внутренний слой, соприкасающийся со столбом дуги, превращается в плазму, а наружный спой, омывающий стенки канала сопла, остается сравнительно холодным, образуя электрическую и тепловую изоляцию между потоком плазмы и каналом сопла. Этот охлажденный слой газа препятствует отклонению столба дуги от заданного направления и замыканию его на стенку канала сопла. Напряжение сжатой дуги составляет 60-200 В, что в три-десять раз больше, чем в свободной дуге. Плотность тока сжатой дуги достигает 100 А/мм 2 , т. е. на порядок выше, чем у свободной, а удельная мощность достигает 2 × 10 6 Вт/см 2 .
Упрочнение сталей с нагревом концентрированными потоками энергии (КПЭ) по аналогии с другими видами закалки заключается в формировании на этапе нагрева аустенитной структуры и ее последующем превращении в мартенсит на этапе охлаждения. При этом подводимая тепловая энергия больше энергии, необходимой для перестройки кристаллической решетки, а сама перестройка происходит с некоторой конечной скоростью. Поэтому превращение осуществляется в интервале температур от Ас1нач до Ас1кон, т. е. окончание аустенитного превращения смещается в область высоких температур Т (рис. 1, область 1).
Вследствие высокой скорости нагрева диффузионные процессы перестройки решетки объемно-центрированного куба избыточного феррита в решетку гранецентрированного куба аустенита могут не заканчиваться на линии GS диаграммы Fe - Fe 3 C и сдвигаться в область более высоких температур (область 2). Также может происходить микроплавление границы цементита с аустенитом (область 3).
Рис. 1. Участок диаграммы Fe - Fe 3 C с особенностями структурных превращений при высокоскоростном нагреве
При обработке сварочной дугой скорость нагрева достигает 1000-3000 °С/с. При таких скоростях нагрева смещение всех стадий аустенизации в сталях в область более высоких температур может достигать 100-300 °С. В результате нагрева КПЭ формируется структура, особенности которой обусловлены степенью завершенности процесса аустенизации, определяемой скоростью и температурой нагрева, временем воздействия, исходной структурой и др. При достаточно высокой температуре нагрева или при относительно большом времени воздействия возможно формирование однородного аустенита. Уменьшение температуры нагрева и времени воздействия в результате повышения критических точек и замедления процесса гомогенизации приводит к большой неоднородности аустенита в стали, особенно по углероду. Кроме аустенита, в этих условиях при высокой температуре возможно существование нерастворившихся карбидов.
Степень неоднородности структуры, образовавшейся в результате нагрева КПЭ, зависит от дисперсности исходной структуры. Причем чем дисперснее исходная структура, тем меньше неоднородность аустенита.
Процесс обработки КПЭ с целью термоупрочнения характеризуется высокими скоростями охлаждения, которые приводят к закалке поверхностных участков. Для получения мартенсита в сплавах железо-углерод в интервале температур минимальной устойчивости аустенита (400-600 0 С) необходимо обеспечить скорость охлаждения больше критической, которая для большинства сплавов железа находится в интервале 50-200 °С/с. Охлаждение при нагреве КПЭ характеризуется значительно большими скоростями. Так, скорость охлаждения при плазменном упрочнении изменяется в пределах от 10 4 до 10 6 °С/с. Плазменное упрочнение осуществляют без оплавления и с оплавлением поверхности детали.
Установлены энергетические пороги, определяющие режимы упрочнения (рис. 2). Энергетический порог W 1, соответствует нагреву металла до температуры начала аустенитного превращения. Дальнейшее увеличение плотности мощности приводит к возрастанию твердости обрабатываемой стали, которая достигает наибольшей величины при нагреве без оплавления при втором значении энергетического порога W 2. Затем увеличение плотности мощности приводит к незначительному повышению твердости, а третий порог W 3 соответствует началу оплавления поверхности.
Рис. 2. Влияние плотности мощности в пятне нагрева на поверхностную твердость
Плазменное упрочнение без оплавления поверхности наиболее распространено, так как позволяет в широких пределах регулировать твердость, размеры и эксплуатационные характеристики обрабатываемой зоны при сохранении высокого качества поверхности. Упрочнение с оплавлением поверхности обычно используют для достижения особых эксплуатационных свойств.
При плазменном термоупрочнении отдельные слои обрабатываемого участка прогреваются по глубине до различных температур, вследствие чего зона термического воздействия (ЗТВ) имеет слоистое строение. В зависимости от микроструктуры и микротвердости в сталях по глубине ЗТВ различают три слоя (рис. 3).
Рис. 3. Схема строения ЗТВ при плазменном упрочнении
Зона оплавления 1 (первый слой) имеет место при закалке с оплавлением. Как правило, зона оплавления имеет столбчатое строение с кристаллами, вытянутыми в направлении теплоотвода. Основная структурная составляющая - мартенсит, карбиды обычно растворяются. При оптимальных режимах закалки с расплавлением обезуглероживание не происходит, нет пор и шлаковых включений. При плазменной закалке без оплавления первый слой отсутствует.
Второй слой - зона закалки 2 из твердой фазы. Его нижняя граница определяется температурой нагрева до Ас1. В этом случае наряду с полной закалкой происходит и неполная. По глубине данный слой характеризуется структурной неоднородностью. Ближе к поверхности имеются мартенсит и остаточный аустенит, полученные при охлаждении из гомогенного аустенита. Ближе к исходному металлу наряду с мартенситом имеются элементы исходной структуры: феррит в доэвтектоидной стали и цементит в заэвтектоидной.
В переходной зоне 3 (третий слой) металл нагревается ниже точки Ас1. Если сталь имеет исходное состояние после закалки или отпуска, то в результате плазменной обработки в этом слое образуются структуры отпуска - троостит или сорбит, характеризуемые пониженной твердостью.
Зона термического влияния плазменной струи (дуги) имеет форму сегмента, по своему строению она аналогична ЗТВ электронного и лазерного лучей.
При плазменном нагреве не всегда удается избежать накопления теплоты в обрабатываемом изделии. С целью устранения накопления теплоты в изделии используют плазменное упрочнение в жидких средах. Обрабатываемое изделие погружают в жидкость таким образом, чтобы над его поверхностью была жидкая прослойка определенной толщины.
Литература:
Лащенко Г.И. Плазменное упрочнение и напыление. – К.: «Екотехнолог i я», 2003 – 64 с.
PLASMA HARDENING HIGH-CHROMIUM CAST IRON
Kirill Vaskin
PhD, assistant professor of Togliatti State University,
Russia , Togliatti
Artur Blinov
undergraduate of Togliatti State University,
Russia, Togliatti
Andrey Blinov
head of "Technological Department of die tooling " PJSC AVTOVAZ,
Russia, Togliatti
АННОТАЦИЯ
В работе было исследовано влияние плазменной закалки на физико-механические свойства чугуна ХФ. Были определены значения микротвердости и глубины упрочненного слоя. В результате проведенных исследований было получено, что использование плазменного поверхностного термоупрочнения позволило повысить микротвердость поверхностного слоя образца более чем в 2 раза.
ABSTRACT
Effect of plasma hardening physical and mechanical properties of high-chromium cast iron in article are investigated. Values of hardness and depth of the hardened layer are determined. The use of highly concentrated energy sources makes it possible to increase the hardness of the surface layer more 2 times, as a result of our research.
Ключевые слова: плазменная закалка; термоупрочнение.
Keywords: plasma hardening; thermal hardening.
Кратковременное действие температурного фактора при закалке приводит к диспергированию структуры. Это характерно при плазменной и лазерной закалке . Однако, при лазерной закалке пятно контакта лазерного луча и обрабатываемого материала меньше пятна контакта плазменной дуги с обрабатываемой поверхностью. Поэтому при больших областях закалки более производительным является метод плазменной закалки. Таким образом, при закалке штамповой оснастки предпочтительным является способ плазменного термоупрочнения.
Исследования по изучению влияния плазменной закалки проводили на чугуне ХФ, который применяют при изготовлении пуансонов и матриц формообразующих штампов холодной штамповки на ПАО «АВТОВАЗ» .
Плазменная закалка образца (рис. 1) была проведена на установке УГДЗ-200 .
Рисунок 1. Геометрические размеры образца для плазменной закалки
Из-за того что образец имел небольшие размеры, а его способность к отведению тепла не столь велика, то некоторые участки упрочняемой поверхности оплавлялись. Чтобы устранить возникшие неровности, образец шлифовали, при этом глубина резания составила порядка 0,3…0,4 мм, а шероховатость Ra0,8. После этого на электроэрозионном станке был вырезан фрагмент поверхности для того чтобы провести дальнейшие металлографические исследования.
Замеры микротвердости были проведены с помощью микротвердомера Micromet-II, структура образца изучалась на микроскопе AxioObserver.
Плазменная закалка образцов из чугуна ХФ
Внешний вид упрочненного плазменной закалкой образца из чугуна ХФ приведен на рисунке 2. На данном образце была проведена операция шлифования упрочненной цилиндрической поверхности со съемом материала толщиной 0,4 мм, затем электроэрозионным способом вырезан фрагмент поверхности для проведения металлографических исследований.
Основные параметры процесса упрочнения:
- рабочий ток дуги 150А;
- рабочее давление аргона 0,3 МПа;
- ширина закаленной зоны 10-12 мм;
- длина дуги - 20 мм;
- скорость прохода по поверхности - 0,5 м/мин.
Рисунок 2. Образец из чугуна ХФ после проведения плазменной закалки, шлифования, вырезки фрагмента упрочненной поверхности
Микроструктура упрочненной зоны образца из чугуна ХФ приведена на рисунке 3(а). Распределение микроструктуры от поверхности внутрь материала следующее: ледебурит, мартенсит, остаточный аустенит, троостомартенсит, цементит, графит пластинчатый по всему сечению упрочненного слоя.
а б
Рисунок 3. Микроструктура упрочненного слоя образца из чугуна ХФ. (а) - структура упрочненного слоя, (б) - структура сердцевины.
Микроструктура сердцевины образца из чугуна ХФ представлена на рисунке 3б: перлит пластинчатый, цементит, графит пластинчатый.
Параметры упрочненного методом плазменной закалки слоя чугуна ХФ:
глубина упрочненного слоя – 0,8…1,0 мм;
твердость упрочненного слоя – HRC 55…58;
структура упрочненного слоя – ледебурит, мартенсит, остаточный аустенит, троостомартенсит, цементит, графит пластинчатый;
твердость сердцевины – HRC 26;
структура сердцевины – перлит пластинчатый, цементит, графит пластинчатый.
Список литературы:
- Васькин К.Я., Блинов А.А., Блинов А.В. Плазменная закалка стали Х12МФ. Технические науки - от теории к практике: сб. ст. по матер. LXVIII междунар. науч.-практ. конф. № 3(63). – Новосибирск: СибАК, 2017. – С. 58-62.
- Зубанов И.Ю., Блинов А.В. Новая технология изготовления штампов ОАО «ВАЗ». Материалы региональной научной конференции. Т. 2. 2014 - С. 122.
- Коротков В.А. Опыт применения установки плазменной закалки УДГЗ-200 на предприятиях уральского региона. Автоматическая сварка. 2012. №5 (709). - С. 55-58.
- Коротков В.А. Свойства и промышленное применение ручной плазменной закалки. Металловедение и термическая обработка металлов. 2016. №8 (734). - С. 3-9.
- Огин П.А., Васькин К.Я. Повышение ресурса мелкоразмерного инструмента за счет модификации изнашиваемых поверхностей при помощи оптоволоконного лазера. IV Резниковские чтения: труды междунар. науч.-техн. конф. Ч. 1. Тольятти: ТГУ, 2015. - С. 143–145.
- Огин П.А., Мерсон Д.Л., Кондрашина Л.А., Васькин К.Я. Влияние режимов лазерной модификации на структуру, свойства и износостойкость мелкоразмерного инструмента из быстрорежущей стали Р6М5. Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2015. № 4 (34). - С. 83-88.
- Xiang Y., Yu D., Li Q., Peng H., Cao X., Yao J. Effects of thermal plasma jet heat flux characteristics on surface hardening. Journal of Materials. 2015. P. 238-246.
Термическое упрочнение стальных деталей является одним из наиболее эффективных и действенных способов увеличения ресурса работы нагруженных элементов машин и механизмов, а также снижения их материалоемкости. Во многих случаях технически и
экономически оправдана локальная термообработка. При этом упрочняют только наиболее нагруженную рабочую поверхность детали, оставляя нетронутой сердцевину. Для поверхностного упрочнения деталей в промышленности широко применяют термическую
высокочастотную и газопламенную обработки. 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.
Технические характеристики:
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.
ВЕСТИ IT
ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВ^
2. СП 52-104-2006*. Сталефибробетонные конструкции. - М.: НИИЖБ: ОАО «НИЦ «Строительство», 2010. - 68 с.
3. Рабинович Ф. Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. Вопросы теории проектирования, технологии, конструкции / Ф. Н. Рабинович. - М.: Изд-во АСВ, 2004. - 560 с.
4. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции. - М.: НИИЖБ Госстроя СССР, 1989. - 80 с.
5. СНиП 2.03.03-85*. Армоцементные конструкции. - М.: НИИЖБ Госстроя СССР, 1986. -
УДК 621.785; 621.791; 621.762 В. А. Коротков,
Разработанная в 2002 г. установка УДГЗ-200 позволяет вручную закаливать то, что ранее закалке не подвергалось, быстро изнашивалось и становилось причиной частых и дорогостоящих ремонтов. "Ухудшение шероховатости поверхности и искажение размеров при закалке столь незначительные, что многие детали после нее не нуждаются в финишной механообработке, а сразу направляются в эксплуатацию, что снижает продолжительность и себестоимость их производства. Слой плазменной закалки многократно превосходит в износостойкости металл в нормализованном или состоянии объемной закалки с отпуском, что делает применение плазменной закалки высокоэффективным. Плазменная закалка установкой УДГЗ-200 производится без подачи воды на деталь, что позволяет выполнять ее не только в специализированных термических цехах, но также по месту обработки и эксплуатации деталей. Это в совокупности с тем, что закалку установкой УДГЗ-200 осваивают сварщики 2-3-го разрядов, упрощает внедрение ее в производство.
Developed in 2002, setting UDGZ-200 allows you to manually temper what had previously not been subject to hardening, wear out quickly and cause frequent and costly repairs. Deterioration of surface roughness and dimensional distortion during hardening so minor that many of the items after her do not needfinish machining, and immediately sent to the operation, "which reduces the duration and cost of production. Layer of plasma hardening surpasses in wear metal in the normalized condition or bulk quenched and tempered, "which makes use of a highly effective plasma hardening. Plasma hardening installation UDGZ-200 is produced "without the water supply is not the item that allows her not only in specialized thermal shops, but also at the place of processing and operation details. This coupled "with the fact that the hardening installation UDGZ-200 master welder 2-3 discharges facilitates its introduction intoproduction.
Ключевые слова: плазменная поверхностная закалка, износостойкость.
Key words:plasma surface hardening, wear resistance.
В современный век роботов и «безлюдных» производств разработка ручной технологии может показаться ошибочной. Однако ручные технологии благодаря универсальности демонстрируют живучесть. В мире основной объем сварки (более 80 %) продолжает выполняться электродами или полуавтоматами, то есть вручную. По аналогии полагали (этот расчет оправдался), что с разработкой ручного способа поверхностной закалки объемы ее применения возрастут и произойдет
д-р техн. наук, профессор, Нижнетагильский филиал
Уральского федерального университета
ТЕХНОЛОГИЯ ручной плазменной закалки
TECHNOLOGY MANUAL PLASMA HARDENING
Введение
ДВЕСТИ И К
государственного университета
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
это за счет тех изделий, которые ранее по тем или иным причинам закалить было невозможно. Это контактные поверхности корпусов и станин оборудования, а также иных крупногабаритных деталей. Их термическому упрочнению известными способами мешают большие размеры и масса, а также плохая восприимчивость к закалке некоторых сталей, из которых они изготавливаются. Вместе с тем упрочнение этих поверхностей является важным в решении задач по увеличению сроков межремонтной эксплуатации и надежности оборудования .
Проблема ручной плазменной закалки была решена в 2002 г. в ООО «Композит», созданном в 1990 г. при Нижнетагильском филиале УПИ (ныне - УрФУ). Здесь выполнили разработку способа и установки УДГЗ-200 для ручной плазменной закалки. В установке (рис. 1, табл. 1) предусмотрена горелка, небольшие размеры которой делают ее удобной для ручного манипулирования и позволяют добираться до труднодоступных мест, то есть упрочнять, что ранее эксплуатировалось без упрочнения и становилось причиной частых и дорогостоящих ремонтов.
Рис. 1. Закалка установкой УДГЗ-200: слева - вручную, справа - роботом
Таблица 1
Характеристики установки УДГЗ-200 и процесса плазменной закалки
Процесс закалки Установка УДГЗ-200
Производительность - 25-85 см2/мин Рабочий газ - аргон (15л/мин) Глубина закалки -0,5-1,5мм Твердость - HRC35-65 (зависит от марки стали) Напряжение сети - 380 В Мощность - 10 кВт Масса - 20 + 20 кг (источник питания и блок охлаждения горелки)
Установка УДГЗ-200 выпускается по ТУ 3862-001-47681378-2007. К концу 2013 г. было произведено более 50 шт. установок, которые поставлены на предприятия России, Украины, Казахстана, Киргизии. В 2008 г. установка была отмечена серебряной медалью на Женевском салоне изобретений и инноваций
При закалке сварщик перемещает дугу по поверхности со скоростью, обеспечивающей «вспотевание» (состояние, предшествующее плавлению) поверхности под дугой. Это контролировать не труднее, чем плавление при сварке, но оно обеспечивает необходимый для закалки нагрев и не допускает грубого оплавления поверхности. Работу на установке осваивают сварщики 2-3 -го разрядов, при этом она может применяться в механизированных, автоматизированных и роботизированных (рис. 1, справа) комплексах, что делает ее пригодной к применению в современных высокотехнологичных производствах. Наличие установок УДГЗ-200 восполняет отсутствие традиционного оборудования для закалки, делает закалку экологически чистой.
Общие сведения о свойствах закаленного слоя
Дуга оставляет на поверхности закаленные полосы шириной 7-12 мм, окрашенные «цветами побежалости», то есть покрытые тонкой пленкой окислов, которые не оказывают существенного влияния на шероховатость в диапазоне Rz 8-60 (рис. 2). Глубина закаленного слоя составляет ~ 1 мм, благодаря чему не происходит значительных деформаций закаливаемых деталей. Это в совокупности с минимальным изменением шероховатости позволяет многие детали отправлять в эксплуатацию без трудоемкой финишной механообработки твердого закаленного слоя, что снижает себестоимость их изготовления .
Рис. 2. Плазменная дуга и оставленная ею закаленная полоса
Расчетами и экспериментально установлено, что при закалке массивных тел на режимах, типичных для УДГЗ-200, скорости охлаждения превышают критические . При закалке пластин они уменьшаются, но возможность неполной закалки углеродистых сталей (на твердость ~ HV360) сохраняется для толщин > 4 мм. Это дает возможность выполнять закалку без подачи воды на место нагрева, что упрощает организацию рабочих мест и позволяет применять установку УДГЗ-200 на ремонтных площадках, по месту механообработки и эксплуатации деталей, а не только в термических цехах. Благодаря этому расширяется номенклатура упрочняемых деталей - закалке подлежит то, что ранее было ей недоступно.
Рис. 3. Распределение твердости в слое плазменной закалки на стали 40
Типичная структура закаленного слоя аналогична зоне термического влияния в основном металле сварных соединений . У поверхности возможно образование дендритной структуры
от ее оплавления; ниже идет участок перегрева с укрупненным зерном; затем - мелкозернистый участок нормализации; еще ниже - участок неполной перекристаллизации, за которым следует последний участок - отпуска. Таким образом, твердость закаленного слоя по мере удаления от поверхности снижается постепенно (рис. 3), что предупреждает образование отколов.
Износостойкость слоя плазменной закалки
Исследовалась износостойкость сталей с плазменной закалкой на машине трения по схеме «диск-колодка» без смазки. Частота вращения диска (d 40*10 мм) 425 об/мин. Предусматривалось пять этапов испытаний по 5 мин с нагрузкой 200Н на первых четырех и полуторным увеличением нагрузки до 300 Н на 5-м этапе со взвешиванием после каждого этапа для определения износа. На первом этапе происходит приработка пар, 2-4-й этапы характеризуют установившийся процесс изнашивания. Пятый этап показывает способность пар трения выдерживать перегрузку; во всех случаях применения плазменной закалки увеличения износа на пятом этапе не наблюдалось. В каждом сочетании материалов испытывались три пары образцов.
Рис. 4. Средний износ (г) дисков (Д) из конструкционных сталей с различной твердостью (НВ) на этапах 2-4-м установившегося изнашивания. Виды упрочнения дисков:
Норм - нормализация, 03 - объемная закалка с отпуском, ПЗ - плазменная закалка
Проведено сравнение износостойкости дисков из конструкционных сталей при трении о нормализованную колодку из стали 45. Из рис. 4 видно, что в нормализованном состоянии износ легированной стали 30ХГСА примерно втрое меньше, чем углеродистой стали 45. Объемная закалка с отпуском почти не отразилась на износе стали 30ХГСА. Плазменная закалка по сравнению с нормализованным состоянием существенно уменьшила износ обеих сталей: примерно в 10 раз стали 45и в 4 раза стали 30ХГСА.
Из табл. 2 видно, что плазменная закалка колодок из рельсовой стали снизила их износ в 126 раз; при этом неупрочненный диск из колесной стали не только не снизил износостойкости, но и увеличил ее в 2,1 раза. Существенное увеличение износостойкости в результате плазменной закалки объясняется сменой механизма изнашивания. Поверхности трения без упрочнения имели возможность «схватываться», то есть образовывать выступами микронеровностей точечные сварные соединения, которые создавали абразивный фактор, ускоряющий износ. Исключение явлений схватывания за счет упрочнения плазменной закалкой привело к более медленному изнашиванию по механизму усталостного диспергирования.
Таблица 2
Влияние плазменной закалки на износ* рельсовой стали в парах трения с колесной сталью
Колодка, рельсовая сталь Диск, колесная сталь 65Г
Состояние Износ, г Киз Состояние Износ, г Киз
Без закалки 1,507 1,0 Сорбитизация 2,125 1,0
С плазменной закалкой 0,012 126 Сорбитизация 1,021 2,1
* Суммарный за 1-4 циклы испытаний.
Было также установлено, что закаленные диски из низкоуглеродистой стали 20ГЛ снижают износ по сравнению с нормализованным состоянием в ~ 9 раз, а сопрягаемые с ним колодки из той же стали - в 1,8 раза. Отсюда следует целесообразность применения установки УДГЗ-200 для упрочнения контактных поверхностей корпусных частей оборудования, обычно изготавливающихся из низкоуглеродистых сталей и термическому упрочнению не подвергающихся из-за высоких затрат при минимальном упрочняющем эффекте.
Рис. 5. Износ чугунных колодок при трении о диски из стали ЗОХГСА
Были приготовлены колодки из чугуна: ВЧ120, ВЧ60, СЧ25, и диски из стали ЗОХГСА (НВ 330); результаты испытаний представлены на рис. 5. Чугун ВЧ60 без плазменной закалки сразу получил износ на глубину 3 мм, то есть больше обычного в 250 раз. Еще больше был износ серого чугуна СЧ25, поэтому эти результаты на графике не приведены. Наименьший износ получил чугун ВЧ60 с плазменной закалкой, который оказался меньше износа чугуна ВЧ120 на ~ 50 %. Износ серого чугуна СЧ25 с плазменной закалкой, хотя и больше износа ВЧ120 на ~ 80%, но не катастрофичен как износ СЧ25 без плазменной закалки. Отсюда можно сделать заключение о целесообразности применения плазменной закалки подшипниковых гнезд крупных редукторов, изготавливаемых из чугуна, и других изделий.
Примеры практического применения плазменной закалки
Корпуса конусов дробилок мелкого и среднего дробления (КСМД-2200, Sandvik-7800, FKB-2100 и др.) быстро изнашиваются по поясу контактирования со сменной броней. На Качканарском ГОКе ежегодно восстановлению наплавкой подлежало до 25 конусов. С конца 2011 г. приступили к упрочнению их плазменной закалкой (рис. 6), благодаря этому потребность в восстановлении изношенных конусов в 2013 г. снизилась до 5 шт., то есть в пять раз.
Рис. 6. Корпус конуса дробилки среднего дробления, контактный пояс которого упрочнен плазменной закалкой
Рис. 7. Технологический барабан с зубчатым венцом, упрочненным плазменной закалкой
Зубчатый венец (40ГЛ) крупногабаритного технологического барабана (рис. 7), работающий в зацеплении с приводной шестерней (34ХН1М), представляет собой дорогостоящее изделие. Наработка до предельного износа зубьев (30 %) составляла: венца - 2 месяца, приводной шестерни - один месяц. Плазменная закалка увеличила наработку до износа закаленного слоя толщиной 1 мм: у венца - до 4 месяцев, а у приводной шестерни - до 2,5 месяцев. Затем во время плановых профилактических ремонтов без демонтажа деталей была выполнена повторная закалка зубьев установкой УДГЗ-200. До предельного износа зубьев закалку повторяют 4 раза, что увеличило срок службы зубчатого венца до 12-16 месяцев, а приводной шестерни до 6-8 месяцев, то есть приблизительно в 7 раз. Экономия от применения плазменной закалки составила 38 млн руб. при эффективности вложений в плазменную закалку 5 руб. экономии на рубль затрат.
Быстро изнашиваемыми являются ручьи канатных блоков и барабанов. Малые размеры горелки установки УДГЗ-200 позволяют производить их закалку (рис. 8). На Качканарском ГОКе плазменная закалка двух витков, наиболее часто включающихся в работу, канатных барабанов узла «напора» карьерного экскаватора ЭКГ-8 и втрое увеличила их межремонтную наработку; одновременно замечено увеличение сроков службы канатов.
Рис. 8. Канатный барабан (слева) и шкивы, упрочненные плазменной закалкой
Половина рельсов (КР-100) кранового пути была упрочнена плазменной закалкой, а другая половина поставлена без упрочнения. Через год эксплуатации износ незакаленных рельсов составил 2 мм, а износ закаленных характеризовался как «потертость». Еще через год эксплуатации износ незакаленных рельсов составлял 4 мм, а закаленных достиг значения, доступного измерению - около 1 мм.
Заключение
Разработанная в 2002 г. установка УДГЗ-200 позволяет вручную закаливать то, что ранее закалке не подвергалось, быстро изнашивалось и становилось причиной частых и дорогостоящих ремонтов.
Ухудшение шероховатости поверхности и искажение размеров при закалке столь незначительные, что многие детали после нее не нуждаются в финишной механообработке, а сразу направляются в эксплуатацию, что снижает продолжительность и себестоимость их производства.
Слой плазменной закалки многократно превосходит в износостойкости металл в нормализованном или состоянии объемной закалки с отпуском, что делает применение плазменной закалки высокоэффективным.
Плазменная закалка установкой УДГЗ-200 производится без подачи воды на деталь, что позволяет выполнять ее не только в специализированных термических цехах, но также по месту обработки и эксплуатации деталей. Это в совокупности с тем, что закалку установкой УДГЗ-200 осваивают сварщики 2-3-го разрядов, упрощает внедрение ее в производство.
Список литературы
1. Хренов К. К. Дуговая поверхностная закалка / К. К. Хренов, Г. В. Васильев // Автогенное дело. - 1950. - № 10. - С. 1-5.
2. Кобяков О. С. Использование микроплазменного нагрева в процессах упрочняющей технологии / О. С. Кобяков, Е. Г. Гринзбург // Автоматическая сварка. - 1985. - № 5. - С. 65-67.
3. Лещинский Л. К. Структура и свойства наплавленного металла углеродистых сталей, упрочненных плазменной струей / Л.К Лещинский, И. И. Пирч, С. С. Самотугин [и др.] // Сварочное производство - 1985. - № 11. - С. 20-22.
4. Бердников А. А. Упрочнение чугунных валков методом плазменной закалки / А. А. Бердников, В. С. Демин, Е. Л. Серебрякова [и др.] // Сталь. - 1995. - № 1. - С. 56-59.
5. Сафонов Е. Н. Поверхностное упрочнение железоуглеродистых сплавов дуговой закалкой / Е. Н. Сафонов, В. И. Журавлев // Сварочное производство - 1997. - № 10. - С. 30-32.
6. Орлов П. И. Основы конструирования: справ.-метод. Пособие: в 2 кн. / П. И. Орлов; под ред. П. Н. Учаева. - М.: Машиностроение, 1988. - Кн. 1. - 560 с.
7. Korotkov V. A. Investigations into plasma quenching / V. A. Korotkov, A. V. Shekurov //Welding International. - 2008. - Vol. 22, № 7.
8. Korotkov V. A. Surfacing of plungers for high-pressure vessels / V. A. Korotkov, S. P. Anan’ev,
A. V. Shekurov II Welding International. - 2013. - T. 27, № 5.
9. Теория сварочных процессов / под ред. В.М. Неровного. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007.
Закалка металла представляет собой нагрев до некоторой критической температуры (более 750 градусов) и последующее быстрое охлаждение, в результате чего твердость стали и чугуна увеличивается в 2-3 раза, с HRC 20...25 до HRC 50...65. Благодаря этому изнашивание деталей замедляется. Снижение износа может составлять десятки и даже сотни раз.
Закалка увеличивает срок службы машин, но не всегда доступна. Поэтому значительное число рабочих поверхностей эксплуатируется без упрочнения, быстро изнашивается и становится причиной частых ремонтов. Это положение может исправить установка плазменной закалки УДГЗ-200, разработанная в 2002г и удостоенная в 2008г медали Женевского салона изобретений и инноваций. Сварщик горелкой (как маляр кистью) закаливает поверхность полосами 7…14мм с некоторым перекрытием. Твердый слой закалки HRC45-65 (в зависимости от марки стали) толщиной 0,5…1,5мм обеспечивает хорошую работоспособность в различных условиях эксплуатации, в том числе крановых рельс и колес, зубчатых и шлицевых соединений, футеровочных плит, штампов и др. Закалка происходит без подачи воды на деталь (за счет теплоотвода в её тело), поэтому применяется не только в специализированных цехах, но и на ремонтных площадках. Закалка, оставляя на поверхности цвета побежалости, не ухудшает шероховатость в диапазоне Rz4…40 и не дает деформаций, благодаря чему детали могут эксплуатироваться без последующей механообработки (шлифовки). Упрочняются не только конструкционные, но и низкоуглеродистые стали типа 20ГЛ, 35Л, традиционно считающиеся не закаливающимися: посадочные места в корпусах и станинах различных машин и оборудования. Работу на УДГЗ-200 легко осваивают сварщики 2…3 разрядов. Процесс закалки может быть автоматизирован. Установка УДГЗ-200 состоит из источника питания, блока водяного охлаждения закалочной горелки и самой горелки с кабелем-рукавом. Снабжается паспортом, сертификатом, руководством по эксплуатации и техинструкцией по ведению закалки для сварщика.
В нашей компании "РусСтанКом" вы можете купить высокотехнологичную установку УДГЗ 200 по выгодной цене, мы предлагаем только запатентованное и сертифицированное оборудование.
УДГЗ-200 география поставок
Плазменная закалка: техническая информация
Плазменная закалка представляет собой локальный нагрев детали до температуры более 750 С и последующем быстром охлаждении. В результате этой процедуры твердость и износостойкость металла увеличиваются в несколько раз. Эта технология остается наиболее распространенным способом упрочнения деталей на производствах. Такой процедуре подвергаются, например, пружины, режущие инструменты, крановые рельсы и т.д.
Основное удобство установки УДГЗ 200 заключается в том, что закалку деталей можно осуществлять без их предварительного демонтажа. Упрочнению можно подвергать следующие металлы:
- сталь
- чугун
- низкоуглеродистая сталь
- инструментальная сталь
Перед обработкой сначала проводится предварительная зачистка поверхности и обезжиривание, а затем осуществляется сама плазменная закалка - плазматрон перемещают над изделием полосами с небольшим перекрытием.
Технические характеристики станка УДГЗ 200:
- Твердость слоя (HRC): до 65.
- Производительность (см2/мин): до 110.
- Рабочий газ: аргон (15л/мин).
С таким оборудованием плазменная закалка становится высокоэффективным процессом. Технология и установка запатентованы и много лет применяются на практике.
Установка плазменной закалки УДГЗ 200: технология
Мощная и функциональная установка плазменной закалки УДГЗ 200 позволяет сделать процесс упрочнения автоматизированным. Технология проста и легко осваивается сварщиками любых разрядов.
Закалка с помощью установки УДГЗ-200 избавляет от необходимости использования печей. Процесс осуществляется без подачи воды на деталь, за счет теплоотвода в её тело, что дает возможность использовать станок на ремонтных площадках.
Также эта установка за счет высоких скоростей нагрева, обеспечивающих сохранение концентрации углерода структуре, способна на упрочнение низкоуглеродистой стали. После обработки на поверхности не образуются какие-либо деформации, благодаря чему деталь далее можно использовать без финишной шлифовки.
Цены на плазменную закалку
Устанавливаемая на УДГЗ 200 цена вполне удовлетворяет наших клиентов, реализовано уже более 100 установок на территории Российской федерации, Украины, Казахстана, Азербайджана, Киргизии. Мы являемся эксклюзивными поставщиками данной установки, что позволяет держать доступную цену.
Подробно ознакомиться с ценами вы можете в прайс-листе, размещённом на нашем сайте. При закупке нескольких единиц возможно предоставление скидок.
Покупка у нас очень удобна:
- техника отгружается со склада.
- оборудование всегда в наличии.
Гарантированные преимущества покупки
Ознакомьтесь со следующими преимуществами приобретения установки УДГЗ 200:
- Повышение износостойкости поверхности.
- Увеличение безремонтной эксплуатации оборудования.
- Сокращение затрат на проведение ремонтов.
- Снижение простоев оборудования.
- Восполняет отсутствие дорогостоящих печей на предприятии.
Как следствие – повышение производительности и эффективности предприятия в целом.
Благодаря установке плазменной закалки УДГЗ 200, вы сэкономите время и средства. На все модели цены в нашей компании невысоки, предоставляется заводская гарантия. Поэтому сделать заказ предлагаем уже сейчас!