УДК 621. 791
ПЛАЗМЕННАЯ ЗАКАЛКА ДЕТАЛЕЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
© Коротков Владимир Александрович, д-р техн. наук, e-mail: vk@udgz.ru
Нижнетагильский филиал Уральского федерального университета. Россия, г. Нижний Тагил Статья поступила 11.05.2012 г.
Разработка ручной поверхностной закалки плазменной дугой дала возможность упрочнять изделия, которые ранее не упрочнялись, и позволила решить многие задачи по увеличению срока эксплуатации металлургического оборудования. В несколько раз увеличен срок службы зубчатых колес литейных кранов, конусов дробилок, крановых рельсов, штампов различного назначения.
Ключевые слова: плазменная закалка; детали металлургического оборудования; износостойкость.
лияние закалки на долговечность деталей оборудования; способы закалки. Закалка чугуна и стали увеличивает твердость примерно в два раза, при этом износостойкость в зависимости от условий эксплуатации может увеличиваться в десятки раз, что объясняет ее применение при изготовлении деталей металлургического оборудования, относящихся к категории быстро изнашиваемых. Однако применение закалки сдерживается из-за того, что не для всех деталей возможно ее проведение из-за плохой прокали-ваемости массивных деталей, деформирования и образования трещин в них, высокой себестоимости, увеличивающейся в результате проведения обязательного отпуска. Для преодоления этих недостатков были разработаны способы поверхностной закалки с применением высококонцентрированных источников нагрева: электроконтактного и электролизного, газового пламени, токов высокой частоты (ТВЧ), лазерного и электронного лучей. Они способствовали расширению применения закалки, но, имея собственные недостатки, проблему не решили; по настоящее время эксплуатируется металлургическое оборудование с большим числом контактных поверхностей (сопряжений) деталей, не имеющих упрочнения, по этой причине быстро изнашивающихся и обусловливающих частые и дорогостоящие ремонты.
Одним из ранее не применявшихся способов поверхностной закалки стала закалка плазменной дугой. Первые сведения о нем появились в 80-х годах прошлого столетия. Наличие в промышленности плазменных аппаратов для резки, сварки, напыления было одной из причин поиска способа их применения для поверхностной закалки. Установку микроплазменной сварки применили для
закалки деталей шахтного оборудования, а установку плазменного напыления - для закалки деталей прокатных валков [1, 2]. Аппарат плазменной сварки УПС-501 модернизировали для закалки бандажей рельсо-правильных машин, а затем -прокатных валков [3]. Адаптирована для закалки также установка плазменной резки УПР-404 [4].
Плазменная закалка 1980-1990-х годов имела существенный недостаток. Она применялась только в автоматическом режиме, когда параметры настройки легко поддерживаются неизменными, ручное же ведение процесса было практически невозможно. В современный век роботов и «безлюдных» производств разработка ручной технологии может показаться ошибочной. Однако, ручные технологии, благодаря универсальности, демонстрируют жизнеспособность. В мире основной объем сварки (более 80%) продолжают выполнять с помощью электродов или полуавтоматов, т.е. вручную. По аналогии полагали (этот расчет оправдался), что с разработкой ручного способа плазменной закалки объемы ее применения возрастут, и произойдет это за счет изделий,
Рис. 1. Закалка установкой УДГЗ-200
для которых ранее по тем или иным причинам провести закалку было невозможно.
Разработка способа ручной плазменной закалки и его характеристики. Проблема ручной плазменной закалки была решена в 2002 г. в ООО «Композит», созданном в 1990 г. при Нижнетагильском филиале УПИ (ныне УрФУ). Здесь разработали способ и установку УДГЗ-200 для ручной плазменной закалки [5, 6].
В установке УДГЗ-200 (рис. 1) предусмотрена горелка, небольшие размеры которой делают ее удобной для ручного манипулирования, и позволяют обрабатывать самые труднодоступные места деталей.
Техническая характеристика установки УДГЗ-
200 приведена ниже
Масса (источник питания, горелка, блок
охлаждения горелки), кг 20 + 0,5 + 20
Напряжение сети, В 380
Мощность, кВт 10
Производительность, см2/мин 25-95
Расход рабочего газа (аргона), л/мин 15
Глубина закалки, мм 0,5-1,5 Твердость после закалки (в зависимости от
марки стали) до ИКС 65
При закалке сварщик перемещает дугу по поверхности со скоростью, обеспечивающей «вспо-тевание» (состояние предшествующее плавлению) поверхности под дугой. Этот процесс контролировать не труднее, чем плавление при сварке, но оно обеспечивает необходимый для закалки нагрев и не допускает грубого оплавления поверхности. Дуга оставляет на поверхности закаленные полосы шириной 8-16 мм, которые сварщик располагает с некоторым перекрытием. На их поверхности наблюдаются цвета побежалости в результате образования тонкой пленки оксидов, которая не оказывает существенного влияния на шероховатость в диапазоне Rz = 4-40 (рис. 2). Кроме того, плазменная закалка не дает значительных деформаций, что, в совокупности
Рис. 2. Плазменная дуга и закаленная ею полоса
с предыдущим позволяет исключить для многих деталей трудоемкую финишную механическую обработку твердого закаленного слоя и, как следствие, снизить трудоемкость и себестоимость производства.
Закалка происходит за счет отвода тепла в тело детали без подачи охладителя (воды) к месту нагрева [7]. Поэтому установка УДГЗ-200 применяется на ремонтных площадках, по месту механообработки и эксплуатации деталей, а не только в термических цехах и специализированных участках. Работу на ней осваивают сварщики 2-го-3-го разрядов. При этом процесс закалки может быть механизирован, автоматизирован и роботизирован, что делает УДГЗ-200 пригодной к применению в современных высокотехнологичных производствах. Наличие установки УДГЗ-200 в определенной мере восполняет отсутствие печей для закалки, цементации, установок ТВЧ, делает закалку экологически чистой.
На рис. 3 представлен характерный микрошлиф закаленного слоя толщиной примерно 1 мм и распределение твердости в закаленных полосах, выполненных с перекрытием. Видно, что в результате нагрева плазменной дугой микротвердость увеличилась более чем вдвое: от -НУ 250 до НУ 700-800. В месте перекрытия полос (двойной закалки) микротвердость возрастает до НУ 800-900, а в зоне термического влияния второй полосы на первую снижается до НУ 600-700 вследствие протекания процессов отпуска.
Увеличение долговечности деталей металлургического оборудования в результате плазменной закалки. Закалка (см. рис. 1) установкой УДГЗ-200 зубчатых колес (сталь 35ГЛ, z = 90, т = 24) сталеразливочного крана (на Нижнетагильском металлургическом комбинате) грузо-
Расстояние от края второй закаленной полосы, мм
Рис. 3. Поперечное сечение образца (сталь 45) с двумя
полосами закалки плазменной дугой (внизу); распределение £
микротвердости (нагрузка 500 г^с) на глубине 0,1 мм ^
от поверхности (вверху) ш
подъемностью 225 т (выполняется с 2004 г.) увеличила твердость зубьев от НВ200 до НВ500 и срок службы - от 6 мес. до 17 мес., т.е. в 2,8 раза. Такие же колеса на кране меньшей грузоподъемности (на Челябинском металлургическом комбинате) (180 т) служат 10-11 мес. (до износа зубьев около 11 мм). После плазменной закалки они отработали вдвое больше и имели износ порядка 1 мм, т.е. на толщину закаленного слоя. Поскольку, износ зубьев не достиг предельного значения (11 мм), то сделана повторная закалка зубчатого колеса прямо на кране, без его демонтажа. Экономия за счет сокращения закупки зубчатых колес и расходов по их замене в данном случае составила примерно 4,8 млн руб., при эффективности вложений в плазменную закалку порядка 28 руб. экономии на каждый рубль расходов на закалку.
Подобным образом (предварительная закалкой новых зубчатых колес и повторные закалки без демонтажа по мере износа закаленного слоя) в семь раз увеличен срок службы зубчатого венца (сталь 40ГЛ) барабана окомкователя и под-венцовой шестерни (сталь 34ХН1М) в агломерационной установке. Экономия составила почти 38 млн руб. при эффективности вложений в плазменную закалку около 5 руб. экономии на каждый рубль затрат.
Шестерни (т = 10; г = 16) из конструкционной стали 40Х в «улучшеном» состоянии, в открытой передаче укладчика, работающего с вагоноопро-кидывателем в том же агломерационном производстве, изнашивались в течении одной недели. Плазменная закалка увеличила наработку - до четырех недель, т.е. в четыре раза. При этом износился только закаленный слой (~1мм), что позволило повторять закалку прямо на укладчике и увеличить срок службы шестерней до восьми раз.
В приводе прокатного стана 300 крутящий момент передается валкам через шлицевые муфты (сталь 45), срок службы которых не превышал трех месяцев. Упрочнение шлицев существенно снизило их износ: после двукратной наработки он составлял менее 10%.
Размеры закалочной горелки установки УДГЗ-200 позволяют закаливать зубья шестерен с модулем т > 6. Закалка производится по боковой поверхности зуба. Впадины между зубьями не закаливаются, так как там плазменная дуга не действует. Это недостаток закалки ТВЧ, вызывающий поломку зубьев при эксплуатации. Однако плазменная закалка только боковых поверхностей к поломкам не приводит, так как производится последовательно, тогда как закалка ТВЧ -
Рис. 4. Плазменная закалка зубьев (справа) исключила поломки имевшие место при закалке ТВЧ (слева)
одновременно по всему профилю, с наведением высоких остаточных напряжений. Кроме того, при закалке зубьев ТВЧ необходимо соблюдать еще одно условие - не допускать прокалки зубьев на всю толщину, для чего используют сталь пониженной про-каливаемости. В случаях поломки зубьев приводных шестерен из
конструкционных сталей (рис. 4) железнодорожных локомотивов (на Качканарском ГОКе) исключить поломки без замены стали удалось применением плазменной закалки, при этом вдвое сократился расход шестерен.
На машине трения МИ-1М в пять этапов, по 5 мин каждый, с нагрузкой 200 Н на 1-м-4-м этапах и полуторной нагрузкой на 5-м этапе, при п = 240 мин-1 по схеме «диск-кол
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.