31004_beca4b46237cc8f32a015b784a469056

дости от 26...30 до 45...50 HRC (рис 4.23).

Рис. 4.23. Упрочненная лопатка дробомета (плазменная закалка с оплавлением)

С помощью УПЗР-1 проводилось упрочнение рабочей поверхности зубчатого колеса редуктора из стали 45Л непосредственно на кране цеха переработки металлолома (рис. 4.19г). До закалки колесо было аварийно заменено на неупрочненное. Плазменная термообработка увеличила твер-

дость от HB 180...200 до 45...51 HRC.

102

Плазменная закалка плоскостей направляющих (сталь ШХ15) позволила увеличить их твердость от HB 240...250 до 56...60 HRC (рис. 4.24).

Рис. 4.24. Упрочненная установкой УПЗР-1 направляющая

В 2011 г. создана установка УПЗР-2 с использованием инверторных источников питания дуги, она позволяет упрочнять ручным инструментом более мелкие детали, например, шестерни с модулем три. Номинальный рабочий ток УПЗР-2 – 150 А, напряжение питающей сети – 220 В, потребляемая мощность – 12 кВА, масса– не более 80 кг, производительность – 30…120 см2 обрабатываемой поверхности в минуту.

Успешно обрабатывались такой установкой шлицевые соединения эджерных валов из стали 5ХНМ твердость поверхности которых возросла от 33...37 до 55...58 HRC (рис. 4.25).

Рис. 4.25. Термообработанное с помощью установки УПЗР-2 шлицевое соединение эджерного вала и глубина закаленного слоя (×2,5)

103

С помощью установки УПЗР-2 упрочнялись рабочие поверхности захватов из чугуна СЧ 30 от 34...40 до 55...60 HRC (рис. 4.26).

Рис. 4.26. Упрочнение установкой УПЗР-2 захватов из чугуна СЧ30

Установки для плазменной закалки в ручном режиме позволяют упрочнять детали шлицевых соединений, шпоночные пазы, зубья шестерен, гравюры штампов и другие изделия с рабочими поверхностями сложной формы, но результаты закалки, особенно стабильность свойств обработанной поверхности, в значительной мере определяются квалификацией и опытом оператора.

Этот недостаток позволяют преодолеть установки плазменной закалки в автоматическом режиме. Например, установка УПЗА-1 (рис. 4.27) для обработки поверхности деталей с использованием стандартного механического оборудования (станков, манипуляторов, вращателей и т. п.) для позиционирования детали и (или) плазмотрона. В качестве генераторов дуги используются плазмотроны прямого действия, когда плазменная дуга горит между катодом плазмотрона и упрочняемым изделием. Номинальное напряжение питающей сети – 380 В, номинальный рабочий ток – 300 А, потребляемая мощность не более 40 кВА, масса не более 300 кг. Установка снабжена блокировками и предохранительными устройствами, исключающими дефекты закалки и выход плазмотрона из строя при неполадках с водо- и газоснабжением, а также при сбоях в работе станка, перемещающего обрабатываемую деталь.

С помощью установки УПЗА-1 упрочнялись ребристые ролики (сталь 50) раскатного поля стана 5000 для Магнитогорского металлургического комбината с увеличением твердости от 23...27 HRC до 55...59 HRC (рис. 4.28а). С помощью такой установки упрочнялись многие детали в ОАО «Северский трубный завод» (г. Полевской), в том числе шаблоны

104

технологические (сталь 32Г2), срок эксплуатации которых после плазменного упрочнения повысился на 40 % (рис. 4.28). Плазменная закалка позволила увеличить твердость их рабочей поверхности от HB 176...180

до 45...50 HRC.

Рис. 4.27. Источник питания дуги (на базе ВДУ 506)

и пульт управления установки

Рис. 4.28. Плазменная закалка установкой УПЗА-1 ролика раскатного поля и термообработанные шаблоны технологические

Такие установки нашли свое применение при закалке дистанционных колец для ОАО «Уралмашзавод» (сталь 34ХН1М) с повышением твердости от 33..35 до 54...59 HRC, при упрочнении ручьев шкивов (сталь 45) для ЗАО «Уралмаш буровое оборудование» с увеличением твердости от 22...27 до 47...52 HRC, валов (сталь 40Х) с повышением твердости от

HB 232...236 до 48...52 HRC.

105

Из наиболее примечательных вариантов технологических решений по упрочнению установкой УПЗА-1 следует отметить закалку штока толкателя пресс-ножниц французского производства в ОАО «Северский трубный завод» (рис. 4.29). Длина штока более 9 метров, диаметр – 180 мм. Он был изготовлен для аварийной замены из стали типа 21ХМФА. Плазменной закалкой удалось увеличить твердость поверхностного слоя от HB 127...130 до 35...40 HRC без продольной деформации штока, и прессножницы продолжают бесперебойную работу вот уже более двух лет.

Рис. 4.29. Упрочнение установкой УПЗА-1 штока толкателя пресс-ножниц

Конструкция установок для плазменной закалки основана на использовании узлов и блоков современного серийного сварочного оборудования, что обеспечивает малые габариты, мобильность, высокую эксплуатационную надежность, простоту эксплуатации и обслуживания.

В 2012 г. сотрудниками лаборатории плазменных процессов Нижнетагильского технологического института была создана и успешно испытана универсальная установка плазменной закалки в ручном и автоматическом режиме УУПЗ-1 (рис. 4.30а). С помощью этого оборудования появилась возможность упрочнять практически любые детали как с относительно простой геометрией, так и поверхности с развитым профилем. В качестве источника питания плазменной дуги в Уральском федеральном университете имени первого Президента России Б.Н. Ельцина был разработан и изготовлен специальный инверторный выпрямитель. Напряжение питающей сети – 380 В, номинальный рабочий ток – 350 А, КПД установки – 0,9; масса – не более 40 кг.

Мобильность УУПЗ-1 позволяет оперативно проводить закалку с выездом на производственную площадку заказчика. Так, например, проводилась термообработка валов (сталь 40Х) с увеличением твердости поверхности от 22...27 до 58...62 HRC (рис. 4.30б). Диаметр вала 170 мм, длина 3500 мм. Упрочнялись шлицы и шейки валов (сталь 40Х) от 20...25

до 46...52 HRC (рис. 4.30в).

106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании данных комплекса проведенных экспериментальных исследований установлены и системно проанализированы количественные зависимости размеров, фазового состава, структуры, микротвердости и твердости зоны термического влияния, формируемой в железоуглеродистых сплавах при термической обработке плазменной и электрической дугой, от технологических параметров процесса. Показано, что:

–в результате плазменной (электродуговой) термообработки без оплавления поверхности углеродистых до- и заэвтектоидных сталей, а также половинчатых чугунов с пластинчатым и шаровидным графитом в зоне термического влияния глубиной 0,5…1,5 мм формируется модифицированная мартенситно-аустенитная структура с переменным в зависимости от режима обработки и структурного класса сплава составом. Площадь зоны закалки пропорциональна удельному тепловому потоку через обрабатываемую поверхность. За счет последовательной неоднократной обработки можно на 20…50 % увеличить глубину и микротвердость в зоне термического влияния среднеуглеродистой (0,65 % С) стали;

–в области перехода от основного к термоупрочненному металлу низкоуглеродистых сталей под воздействием термического цикла обработки формируется ферритно-аустенитная структура с извилистыми границами между структурными составляющими и измельченным зерном феррита.

Ваналогичной области углеродистых сталей образуется структура неполной закалки. На глубине 0,3…0,5 мм возникает мартенситно-аустенитная структура, включающая нерастворенные карбиды в легированных сплавах;

–повторный нагрев, происходящий при термообработке соседнего

участка поверхности, сопровождается частичным распадом мартенсита и аустенита предварительно закаленной структуры с образованием бейнито- и сорбитообразных структур отпуска. Для заэвтектоидных сталей отпуск может не сопровождаться существенным снижением микротвердости структурных составляющих. На поверхности, испытавшей повторный нагрев, объемная доля аустенита увеличивается;

– режимы с минимальным в исследованном диапазоне тепловложением (170…180 А, 72 м/ч или 240…250 А, 144 м/ч) не обеспечивают гомогенизации аустенита по углероду и позволяют получить в поверхностном слое доэвтектоидных сталей мартенсит со значительной (30…50 %) долей остаточного аустенита. Твердость поверхностного слоя при этом составляет 20…80 HR-30N, глубина зоны закалки – 0,3…0,8 мм. Режимы обработки с высоким тепловложением (220…230 А, 72 м/ч или 300…310 А, 144 м/ч), формирующие на поверхности преимущественно мартенситную структуру, обеспечивают максимальные твердость (73…83 HR-30N) и глубину упрочнения (0,8…1,3 мм) этих сталей;

108

– доля остаточного аустенита в поверхностном слое низколегированных доэвтектоидных сталей, упрочненных плазменной закалкой без

перемещения плазмотрона, и пропорционального максимальной температуре нагрева поверхности, что позволяет целенаправленно формировать структурный состав и свойства поверхности, снижая ее изнашивание в соответствующих условиях эксплуатации;

– на режимах с минимальным в исследованном диапазоне режимов тепловложением в поверхностном слое заэвтектоидных сталей формируется преимущественно мартенситная структура, содержащая до 30 % оста-

превышает 30 %. Твердость поверхности с такой структурой достигает

610…620 HV.

Увеличение тепловложения сопровождается формированием в поверхностном слое таких сталей повышенной (до 70 %) доли высокоуглеродистого (~ 1,5 % С) остаточного аустенита, увеличением концентрации углерода в мартенсите (до 1 %) и ростом объемной доли высокоуглеродистого мартенсита в составе -фазы. Результатом этих процессов является существенное (с 600 до 750 HV) увеличение твердости поверхностного слоя;

–зона термического влияния, сформированная в результате плазменной или электродуговой обработки чугунов с пластинчатым и шаровидным графитом, имеет плавный, металлографически не фиксируемый переход к основному металлу и представлена аустенитно-мартенситной структурой с включениями графитной и карбидной фаз в аустенитноледебуритной оболочке. В остаточном аустените и ледебурите, окружающих частично растворенные графитную и карбидную фазы, наблюдается выделение дисперсных частиц избыточного цементита и мартенсита, которые увеличивают микротвердость этих структурных составляющих;

–в поверхностном слое термообработанных плазменной (электрической) дугой чугунов глубиной до 0,4 мм образуется ледебуритная структура с переменным в зависимости от режима содержанием аустенита

(30…70 %). Выхода на поверхность структурно-свободного цементита в области ледебуритного слоя не наблюдается. Графитные включения частично могут сохраняться. При получении упрочненного слоя последовательным формированием локальных зон термообработки с перекрытием, на поверхности фиксируется непрерывный ледебуритный слой. Изменение структуры по глубине зоны упрочнения характеризуется уменьшением объемной доли аустенита, некоторым снижением доли цементита с соответствующим увеличением количества мартенсита;

109

– режимы обработки с регулируемым сочетанием эффективной тепловой мощности и скорости перемещения дуги позволяют формировать

вповерхностном слое чугунов преимущественно аустенитномартенситную или ледебуритно-мартенситную структуры с различной микротвердостью и способностью к дальнейшему деформационному упрочнению. Снижение удельного теплового потока (за счет уменьшения тока дуги или увеличения скорости ее перемещения) ведет к формированию

вповерхностном слое чугунов ледебуритно-мартенситной структуры, при этом общая глубина зоны термического влияния с модифицированной структурой уменьшается. Повышение удельного теплового потока сопровождается ростом объемной доли остаточного аустенита, а также увеличением глубины зоны термовлияния. Микротвердость поверхностного слоя

составляет 7000…10000 МПа при ледебуритно-мартенситной структуре

и5000…8000 МПа – при аустенитно-мартенситной, с большой долей остаточного аустенита. В этом случае микротвердость подповерхностного слоя на глубине 0,1…0,3 мм обычно возрастает до 8000…10000 МПа в соответствии с увеличением доли мартенсита;

–в условиях динамического контактного трения возможно деформационное упрочнение термообработанной поверхности чугуна с аустенит- но-мартенситной структурой за счет превращения остаточного аустенита в мартенсит деформации и наклепа металлических фаз. Средняя твердость поверхности при этом возрастает с 500 до 600 HV.

2. Твердость термообработанной плазменной (электрической) дугой поверхности стальных и чугунных деталей существенно превышает твердость металла основы, в том числе и прошедшего предварительную объемную термическую обработку (закалка и отпуск).

3. Обработка плазменной дугой с погонной энергией 0,4 МДж/м. позволяет получить в поверхностном слое стали 20Х13 мартенсит со значительной (30…50 %) долей остаточного аустенита. Твердость поверхностного слоя при этом составляет 650…700 HV, глубина упрочненной зоны – 0,8 мм. В термообработанном плазменной дугой поверхностном слое стали 20Х13, сформированном последовательными проходами плазменной дуги с определенной степенью перекрытия локальных зон закалки, возникает регулярная структура с периодически изменяющимися фазовым составом

итвердостью.

4. На основе анализа результатов выполненных исследований установлены взаимосвязи формируемых в зоне термического влияния струк- турно-фазового состава и свойств с параметрами режима процесса поверхностной термической обработки железоуглеродистых сплавов плазменной и электрической дугой, позволяющие научно обоснованно и эффективно управлять характеристиками формируемого слоя, обеспечивая продление эксплуатационного ресурса быстроизнашивающихся деталей машин. Оп-

110