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 0К) 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 103...104 0С/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 м2/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 м2/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 Rа, уменьшается высота микронеровностей Rz, 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 HRCэ:
- 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: повышение твердости поверхности до HRC 50...54, повышение стойкости в 2,0-2,5 раза по сравнению с бандажами в состоянии поставки.
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.
