СУДОСТРОЕНИЕ 5'2014
ПЛАЗМЕННАЯ ЗАКАЛКА КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НА МАССИВНЫХ ИЗДЕЛИЯХ
В. А. Коротков, докт. техн. наук, e-mail: vk@udgz.ru (Нижнетагильский технологический институт (филиал) Уральского федерального университета им. первого Президента России Б. Н. Ельцина) удк 621.785.545
Закалка деталей и частей машин ^^—г осуществляется с целью увеличения их проч-^^^^ ности и способности выдерживать без по-^^^^ ломок более высокие рабочие нагрузки. Од-^ новременно с прочностью закалка увеличивает сопротивление изнашиванию. _[ Довольно часто задача повышения износостойкости ставится самостоятельно, без требования увеличения прочности рабочих сечений, и в этих случаях более доступной и экономичной является поверхностная закалка путем нагрева от высококонцентрированных источников: газового пламени, токов высокой частоты; лазерного, светового и электронного излучения; электролитного и электроконтактного нагрева. В значительных объемах промышленностью используются только первые два, но и они из-за присущих недостатков имеют ограниченное применение.
В начале 50-х годов XX века была впервые выполнена [1] поверхностная закалка электрической дугой. Однако из-за несовершенства технологии с угольным электродом она не получила промышленного внедрения. Исследования 80—90-х годов с применением электрической дуги, обжатой газовым потоком (за ней закрепилось название — плазменной), уже завершались их промышленным использованием [2—5]. Но и эти технологии имели существенный недостаток. Они применялись 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 живучесть. В мировой практике основной объем сварки (более 80%) продолжает выполняться электродами или полуавтоматами, т. е. вручную. По аналогии полагали (этот расчет оправдался), что с разработкой ручного способа плазменной закалки объемы ее применения возрастут, произойдет это за счет тех мест на изделиях, которые ранее по тем или иным причинам закалить было невозможно. Это контактные поверхности корпусов, станин обо-
рудования и 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. Но упрочнение этих поверхностей является важным в решении задач по увеличению сроков межремонтной эксплуатации и надежности оборудования [6].
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 с целью термического упрочнения для предотвращения частых и дорогостоящих ремонтов.
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 УДГЗ-200 может применяться в механизированных, автоматизированных и роботизированных (рис. 1, справа) комплексах, что делает её пригодной для современных высокотехнологичных производств. Наличие установок УДГЗ-200 восполняет отсутствие традиционного оборудования для закалки и делает ее экологически чистой.
Общие сведения о свойствах закаленного слоя. Дуга оставляет на поверхности закаленные полосы шириной 7—12 мм, окрашенные «цветами побежалости», т. е. покрытые тонкой пленкой окислов, которые не оказывают существенного влияния на шероховатость в диапазоне 8—60 (рис. 2). Глубина закаленного слоя составляет ~1мм, благодаря чему не происходит значительных деформаций закаливаемых деталей. Это (в совокупности с минимальным измене-
СУДОСТРОЕНИЕ 5'2014
ОРГАНИЗАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ
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 — ИкС35—65 (зависит от марки стали) Установка УДГЗ-200 выпускается по ТУ 3862-произведено более 50 шт. установок, которые по Казахстана, Киргизии. В 2008 г. установка отмечен изобретений и инноваций Напряжение сети — 380В Мощность — 10кВт Масса — 20+20кг (источник питания и блок охлаждения горелки) 001-47681378—2007. К концу 2013 г. было ставлены на предприятия России, Украины, а серебряной медалью на Женевском салоне
нием шероховатости) позволяет многие детали отправлять в эксплуатацию без трудоемкой финишной механообработки твердого закаленного слоя, что снижает себестоимость их изготовления [7].
Расчетами и экспериментально установлено, что при закалке массивных тел на режимах, типичных для УДГЗ-200, скорости охлаждения превышают критические [8]. При закалке пластин они уменьшаются, но возможность неполной закалки углеродистых сталей (на твердость ~ИУ360) сохраняется для толщин > 4мм. 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 не доступно.
Типичная структура закаленного слоя аналогична зоне термического влияния в основном металле сварных соединений [9]. 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 (с140х10мм) — 425 об./мин. Предусматривалось пять этапов испытаний по 5 мин с нагрузкой 200Н на первых четырех и полуторным увеличением нагрузки до 300Н на пятом этапе, с взвешиванием после каждого этапа для определения износа. На первом этапе происходит приработка пар, второй—четвертый 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 испытывалось три пары образцов.
Проведено сравнение износостойкости дисков из конструкционных сталей при трении о нормализованную колодку из стали 45. По 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 45 и в 4 раза стали 30ХГСА.
Из табл. 2 видно, что плазменная закалка колодок из рельсовой стали снизила их износ в 126 раз;
Рис.2. Плазменная дуга и оставленная ею закаленная полоса на стали 40
ОРГАНИЗАЦИЯ VI ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ
СУДОСТРОЕНИЕ 5'2014
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 цикла испытаний
при этом неупрочненный диск из колесной стали не только не снизил износостойкости, но увеличил её в 2,1 раза. Существенное увеличение износостойкости в результате плазменной закалки объясняется сменой механизма изнашивания. Поверхности трения без упрочнения имели возможность «схватываться», т. е. 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.
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 не подвергающихся термическому упрочнению из-за высоких затрат при минимальном упрочняющем эффекте.
Были приготовлены колодки из чугуна: ВЧ120, ВЧ60, СЧ25, и диски из стали 30ХГСА (НВ 330); результаты испытаний представлены на рис. 5. Чугун ВЧ60 без плазменной закалки сразу получил износ на глубину 3 мм, т. е. больше обычного в 250 раз. Еще более сильным был износ серого чугуна СЧ25, поэтому результаты на графике не при-
ведены. 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 др. изделий.
Примеры прак
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.