Плазменная закалка чугуна хф. Плазменная поверхностная закалка Гарантированные преимущества покупки

1

Приведены 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»

В зоне закалки из твердойфазы закаленный слой имеет ярко выраженную неоднородность. Ближе к обрабатываемой поверхности твердый раствор насыщенуглеродом, что способствует образованию повышенного количествааустенита. Внижней границе слоя остаточногоРис.2.21. Распределение микротвердости по глубине упрочненного слоя стали У10 после плазменного упрочнения с различным исходным состоянием.

аустенита значительно меньше,вследствие чего достигается максимальная твердость. Кроме того, в нижней границе слоя наблюдается большее количество нерастворенных карбидов.

Большое значение для получения высокой твердости оказывает исходное со­стояние стали. Так, в стали У8, У10 (предварительно объемно закаленной) становит­ся возможным бездиффузионное обратное мартенситное превращение с наследова­нием аустенитной дефектной структуры мартенсита при полном торможении в про­цессе плазменного нагрева эффектов разупрочнения и рекристаллизации, рис. 2.21.

При упрочнении, без оплавления предварительно закаленной стали (У 10) с исходной структурой мартенсита в зоне нагрева появляется третий слой - слой отпуска (высокодисперсная структура тростита). Микротвердость слоя отпуска со структурой тростита составляет 4000-4300 Мпа. Формирование зоны отпуска на границе закаленного слоя с исходной структурой может играть роль «мягкой» прослойки, способной тормозить развитие трещин, распространяющихся от поверхности.

Легированные инструментальные стали

Плазменному упрочнению подвергались стали 9ХФ, 9ХФМ, 9ХС, 9Х5ВФ, 6ХС, 55Х7ВСМФ, 7ХНМА, 8Н1А, ИХ, 13Х, ХВГ с оплавлением и без оплавления поверхности.

При упрочнении без оплавления поверхности в зоне оплавления возникает мелкодисперсная структура высокоуглеродистого мартенсита и остаточного аустенита. Вследствие высокой скорости плавления и кристаллизации, в зоне оплавления наблюдаются нерастворенные карбиды. Высокая легированность мартенсита в зоне оплавления обеспечивает большие значения микротвердости (12000-14000 Мпа). Однако, в большинстве случаев в зоне оплавления появляются микротрещины, что приводит к сколу и выкрашиванию упрочненного слоя.

Плазменное упрочнение без оплавления поверхности легированных инструментальных сталей приводит к формированию в упрочненной зоне сильно неодно­родной структуры. Вследствие незавершенности процессов аустенизации в упроч­ненном слое образуются мартенсит + нерастворенный цементит + остаточный аустенит. (Так в стали 9ХФ и 9ХФМ количество остаточного аустенита достигает 35 %, а в стали 55Х7ВСМФ до 40 %. Количество остаточного аустенита по глубине упрочненной зоны уменьшается и уже на глубине 80-100 мкм не превышает его со­держание в данной стали при обычной объемной закалке.

Табл. 2.8.

Твердость стали после обработки холодом /жидкий азот/

Для устранения остаточного аустенита после плазменной закалки была прове­дена обработка холодом.Известно, что в легированных инструментальных сталях точка конца мартенситного превращения лежит ниже комнатной температуры. При дальнейшем охлаждении в жидком азоте этих сталей происходит мартенситное превращение, и количество остаточного аустенита заметно снижается, табл. 2.8.

Проведенные исследования показали, что обработка холодом приближает легированные инструментальные стали по твердости к твердым сплавам (НRС Э 65- 80) и находится на одном уровне

с быстрорежущими инструмен­тальными сталями(НRС э 65-69).

Однако использование этой

Рис. 2.22.Распределение микротвердости по глубине упрочненной зоны на сталипослеплазменногоупрочнения (безоплавления)

операции в практических целяхочень затруднительно и требуетдальнейших исследований.

При упрочнении легированных инструментальных сталей отмечается «эффект» максимальной твердости на некоторойглубине от поверхности, рис. 2.22.Призакалкелегированныхинструментальных сталей

Требуются меньшие скорости охлаждения, чем для углеродистых, т.к. аустенит в них более 13Х(1), стали 9ХС(2), стали 9ХФМ(3) устойчив против распада. Легирующиеэлементы способны образовывать с углеродом соеди­нения (в виде карбидов, которые удерживают углерод в труднорастворимых соеди­нениях), препятствующие насыщению аустенита. Однако влияние легирующих элементов на микротвердость упрочненного слоя уменьшается с увеличением со­держания углерода. Стали, содержание хрома в которых превышает 2-3 %, упроч­няются менее эффективно в связи с сильным влиянием легирующих примесей на процесс закалки.

Быстрорежущие инструментальные стали

Плазменному упрочнению с оплавлением и без оплавления поверхности подвергается уже готовый инструмент, прошедший окончательную термическую обработку, изготовленный из различных марок стали Р18, Р6М5, РУМ4К8.

При упрочнении с оплавлением поверхности стали Р18 в зоне оплавления происходит растворение карбидов, повышается степень легирования и устойчи­вость аустенита. Как следствие этого твердость оказывается ниже, чем твердость стали после обычной термической обработки.

Структура и фазовый состав сталей после плазменной закалки и печного отпуска

Марка стали	Способ обработки	Структура	Фазовые составляющие
			Твердый раствор									Карбиды
			Кол-во фаз,%		Состав по массе, %							Тип карбида и кол-во %	Суммарный состав по массе, %
			α	γ	C	W	Mo	V	Cr	Co	Fe		C	W	Mo	V	Cr	Co	Fe
Р6М5* Р6М5**	Плазменная закалка	Мартенсит + остаточный аустенит + карбид	64. 1	26.8	0.4	3.35	3.1	1.1	4.2	-	87.85	МС-1,1, М 6 С-8,0	4.0	31.5	22.5	7.3	3.4	-	31.3
	Плазменная закалка + отпуск при 570º С		86.2	-	0.2	2.4	1.6	0.6	4.2	-	91.0	МС-2,6, М 6 С-7, М 2 С-3,1 М 27 С-1,1 М 23 С6 , М 7 С 3 , М 3 С	6.1	26.3	30.5	9.1	6.5	-	21.5
Р9М4К8*	Плазменная закалка		62.0	29.0	0.6	5.0	3.0	1.7	3.7	8.9	77.1	МС-1,8, М 6 С-7,2 интериметаллид	4.4	4.03	19.5	8.1	3.3	2.2	22.2
Р9М4К8**	Плазменная закалка + отпуск при 580º С		86.2	-	0.2	3.2	1.8	1.2	2.9	9.2	81.5	МС-3,8, М 2 С-3,6 М 6 С-7,4 М 27 С 6 , М 7 С 3 ,	5.8	39.4	20.6	8.0	8.0	2.4	15.8
* Мартенсит + аустенит (твердый раствор) **Отпущенный мартенсит (твердый раствор), остаточный аустенит в пределах ошибки измерения

При упрочнении без оплавления поверхности, структура закаленного слоя состоит из мелкоиголъчатого мартенсита + остаточного аустенита + карбиды. Твердость стали (9500-12300 МПа) превосходит твердость после обычной термообра­ботки, рис.2.23.

Для быстроорежущих сталей также возможно использовать обработку холо­дом после плазменного упрочнения, что повышает твердость упрочненной зоны на стали Р6М5 с 10000 до 12000 Мпа, на стали Р18 до 11500 Мпа, Р9М4К8Ф до 13800 Мпа.

Для повышения твердости закаленной быстрорежущей стали после плазмен­ного упрочнения можно использовать отпуск, что благоприятно изменяет структуру и фазовый состав стали, табл. 2.9.

Рис. 2.23. Микротвердость стали Р18(1), Р6М5 (2) и Р9М4К8Ф (3) после плазменного упрочнения без плавления

При упрочнении быстрорежущих сталей наиболее эффективно упрочнение без оплавления поверхностности. Оптимальные значенияплазменного упрочнения необходимо подбирать для каждого инструмента из той же стали. Кроме того,повышение твердости предварительно закаленной стали очень сильно зависит от длительности плазменного нагрева (зависимость для быст­рорежущих сталей НV=f(t)) имеет экстремум), т.к. длительность нагрева определя­ет скорость фазовых и структурных превращений в упрочненном слое.

Штампованные инструментальные стали

Поверхностное упрочнение стали Х17Ф1 осуществлялось с оплавлением и без оплавления поверхности. Использовалась сталь, прошедшая стандартную термообработку (закалка и отпуск) и без нее, рис. 2.24.Проведенныеисследования показали, что присутствие в структуре этой стали большего количества карбидов (15-25 % по массе) требует высоких температур закалки для полного растворения карбидов и получения высокой твердости. После традицион­ней закалки в структуре остается значительное количество (12 %) избыточных карбидов и большое количество остаточного аустенита

Плазменное поверхностное упрочнение, как один из методов упрочнения источниками нагрева с высокой плотностью мощности, в настоящее время применяется в условиях как мелкосерийного и единичного, так и крупносерийного и массового производства. Сущность его заключается в термических фазовых и структурных превращениях, происходящих при быстром концентрированном нагреве рабочей поверхности детали плазменной струей и последующем отводе тепла в глубь детали .

Для технологических целей используют низкотемпературную плазму, которая представляет собой частично ионизированный газ и имеет температуру порядка 10 3 ...10 s К. Механизм образования плазмы, свойства и параметры плазменной струи зависят от рода и свойств плазмообразующей среды, которая может быть однокомпонентной и многокомпонентной. В качестве однокомпонентной плазмообразующей среды применяют аргон, гелий, азот и водород. В качестве многокомпонентных используют смеси: аргон и водород, аргон и гелий, азот и водород, воздух, воду, аммиак, азот и кислород .

Плазмообразующий газ должен обладать высоким значением удельной теплоемкости и теплопроводности. В этом отношении аргон обладает худшими электрическими и теплофизическими характеристиками по сравнению с другими плазмообразующими газами, однако хорошо защищает вольфрамовый электрод, легко ионизируется под действием дугового разряда и не оказывает вредного воздействия на поверхностный слой обрабатываемого металла. Однако аргон и другие инертные газы дорогостоящи. Кроме того, они не могут диссоциировать в столбе дугового разряда. Активными теплоносителями являются двух- и трехатомные газы, поэтому их применяют в качестве добавки к аргону. Наилучшими теплофизическими характеристиками обладает водород. В смеси его содержание обычно не превышает 15-20%. Дальнейшее увеличение содержания водорода в смеси приводит к резкому возрастанию напряжения на дуге. .

Плазменная обработка материалов обладает рядом достоинств, обуславливающих ее широкое использование для реализации всех известных методов термического воздействия на материал: возможностью достижения высокой концентрации тепловой энергии; пригодностью для плавления или испарения практически любых известных в природе материалов; повышенной стабильностью плазменной дуги по сравнению с электрической; высокой скоростью газа в плазменной струе .

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 - 0,85. Плазменное оборудование по стоимости и сложности изготовления вполне сопоставимо с электродуговым, отличается малыми габаритами и высокой маневренностью. Его широко применяют для резки, наплавки, напыления, сварки и более ограниченно для упрочнения .

2. Закономерности формирования структуры поверхностных слоев сталей при высокоэнергетическом воздействии

Все методы поверхностного высокоэнергетического упрочнения сталей предназначены для формирования закаленных слоев, обеспечивающих повышенный уровень износостойкости рабочих поверхностей деталей, находящихся в тяжелых условиях внешнего нагружения. Несмотря на принципиальные различия используемого для поверхностной обработки оборудования, механизм формирования упрочняемого слоя в общем случае одинаков . Он заключается в быстром нагреве локального объема детали до аустенитного состояния и последующем отводе тепла в соседние объемы, не успевшие нагреться в тот период, когда источник нагрева был включен. В связи с тем, что масса нагретого слоя значительно меньше, чем масса обрабатываемой детали, скорость охлаждения поверхностного слоя как правило выше критической . Следовательно, на стадии охлаждения аустенит претерпевает мартенситное превращение.

Комплекс механических свойств поверхностного слоя, в первую очередь твердости и показателей прочности, обеспечивается высокими значениями скоростей нагрева и охлаждения стали . Это обстоятельство объясняет малый размер мартенситных кристаллов, возникающих в мелких зернах аустенита и отсутствие явных признаков самоотпуска пересыщенного твердого раствора . При обработке материала в его поверхностных слоях развиваются физико-химические процессы, характер которых определяется химическим составом, температурой, временем, скоростью нагрева и последующего охлаждения .

Формирование высокотемпературной фазы в результате нагрева высококонцентрированными потоками энергии, в отличие от медленного нагрева, когда превращение перлит > аустенит происходит в близких к изотермическим условиях, из-за избытка подводимой энергии идет в условиях непрерывно повышающейся от A с1 нач до A с1 кон температуры . График смещения критической точки изображен на рисунке 3.Следует отметить, что аустенит, полученный при высокоскоростном нагреве, отличается повышенным количеством дефектов. Большое число дефектов обусловлено наследованием их из б - фазы, а также дополнительным образованием вследствие усиления эффекта фазового наклепа в условиях превращения при высокой скорости нагрева. Степень завершенности процесса аустенитизации для конкретного состава железоуглеродного сплава определяется скоростью и температурой нагрева, временем теплового воздействия , точнее временем пребывания некоторого объема нагретого металла в диапазоне температур существования аустенита.

Рисунок 3 - Смещение критической точки Aс1 при быстром нагреве стали.

Поскольку при обработке концентрированными потоками энергии различные слои материала нагреваются до различных температур, зону термического воздействия условно можно представить состоящей из ряда слоев, плавно переходящих друг в друга. Схема строения ЗТВ показана на рисунке 4

Первый слой - зона оплавления, имеет место при закалке из расплавленного состояния. Зона оплавления имеет столбчатое строение с кристаллами, вытянутыми в направлении теплоотвода. Основная структурная составляющая для среднеуглеродистой стали - мартенсит . Следует отметить, что по мере удаления от поверхности упрочняемого изделия в глубь размеры кристаллов мартенсита плавно изменяются. Обусловлено это тем, что температура материала в разных зонах быстро нагретого слоя существенно отличается (не смотря на то, что структура в этих зонах перед охлаждением была одинаковой - аустенит).

Рисунок 4 - Схема строения ЗТВ при плазменном упрочнении: 1 - зона оплавления; 2- зона закалки; 3 - переходная зона

Тем не менее, мартенсит основного слоя характеризуется высокой дисперсностью составляющих его элементов. Это обусловлено тем, что максимальная длина кристалла мартенсита соответствует размеру аустенитного зерна. Зерно аустенита из-за кратковременности выдержки не успевает вырасти и поэтому мартенсит, образующийся в его пределах, является мелкодисперсным. Кроме того, при смещении процесса образования аустенита в область высоких температур уменьшается концентрация углерода, снижается устойчивость зародыша, следовательно, скорость зарождения при этом резко увеличивается, что ограничивает рост зерен .

Второй слой - зона закалки из твердой фазы, образующийся в интервале температур Тпл › Тзак › ТАс1. По глубине слой характеризуется сильной структурной неоднородностью, так как наряду с полной закалкой происходит неполная закалка. В верхней границе слоя, ближе к поверхности, наблюдается мартенсит и остаточный аустенит. В нижней границе слоя, ближе к исходному металлу, наряду с мартенситом наблюдаются элементы исходной структуры: феррит в доэвтектоидных сталях и цементит в заэвтектоидных .

Третий слой - переходная зона, в которой металл нагревается до температур ниже точки Ас1, в котором основными структурами являются структуры отпуска .

Металлографические исследования, проведенные авторами работы , показали, что микроструктура переходной зоны зависит от исходного состояния упрочняемого материала. В зависимости от режимов обработки, марки стали, ее предварительной термической обработки переходная зона может иметь различные размеры и строение. В доэвтектоидных сталях с исходной феррито-перлитной структурой и заэвтектоидных сталях с перлито-цементитной структурой после поверхностной закалки наблюдаются участки избыточных фаз (феррита и цементита). Размеры конгломератов этих фаз в направлении от закаленной зоны к зоне с исходной структурой возрастают.

Слоистое строение упрочненной зоны характерно для всех способов плазменного упрочнения. Геометрические параметры зоны плазменного нагрева характеризуются шириной и глубиной упрочненного поверхностного слоя, которые для большинства способов зависят от параметров режима упрочнения (мощности плазменной струи (дуги), дистанции упрочнения, скорости обработки) .

C целью обеспечения высокого уровня конструктивной прочности упрочняемого изделия необходимо тщательно контролировать структуру не только закаленной, но и переходной зоны. Изменяя режимы обработки, можно достаточно надежно управлять структурными параметрами основной и переходной зоны, формируя при этом благоприятный уровень механических свойств материала .

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:

1. Повышение износостойкости поверхности.
2. Увеличение безремонтной эксплуатации оборудования.
3. Сокращение затрат на проведение ремонтов.
4. Снижение простоев оборудования.
5. 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!

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.