Анализ современных методов поверхностного упрочнения деталей машин

 

3 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

 

 

3.1 Общие сведения

 

 

Одним из обязательных требований при конструировании и производстве современных машин и оборудования является увеличение его производительности. Повышение загруженности и напряженности эксплуатации машин не может не сказаться на их надежности, поскольку повышение скоростей относительных перемещений конструируемых деталей, повышенные силовой и температурный нагрузки быстрее исчерпывают первоначальные, созданные на стадии изготовления, рабочие ресурсы. Для отказа машины в целом достаточно потери работоспособности лишь у одной детали.

Интенсификация рабочих режимов и тяжелые эксплуатационные условия создают предпосылки для быстрого выхода из строя отдельных деталей машин. Во многих случаях надежность машин достигается в первую очередь путем обеспечения объемной и поверхностной прочности материалов при действии нагрузок, среды и температуры. Процессы объемного разрушения протекают в результате накопления в материале дефектов его структуры, приводящих к макроскопическим разрушениям. Как правило, поверхностные слои детали подвергаются наиболее сильному механическому, тепловому, химическому и другим видам воздействия. Потеря деталью (в нашем случае «вал-шестерня») работоспособности происходящий с поверхности в результате изнашивания, эрозии, скалывания зубьев и т.д.

Поэтому значительный ресурс повышения работоспособности заключается в материале, из которого изготавливают детали и их термоупрочнении.

Поверхностное упрочнение сочетает в себе два важных положительных момента. Первый состоит в том, что замедляет изнашивание с многократным продлением срока службы, а второй – в сохранении деталью вязкой сердцевины, предохраняющей её от поломок при возросшем сроке эксплуатации.

Первым методом поверхностного упрочнения можно считать гальваническое хромирование, разработанное в России в 1836 г. К концу XIX века к нему добавилась поверхностная цементация по методу Гаврея (США). Вначале XX века появились твердосплавная наплавка, напыление по методу Шоопа, закалка газовым пламенем. Позднее открывались новые способы и совершенствовались известные, которые в совокупности стали насчитывать более ста наименований. На «западе» их объединили понятием «инженерия поверхности», а у нас – «методы упрочнения». Широкое внедрение в промышленность методов упрочнения в середине XX века привело к появлению нового поколения машин с резко возросшими сроками

 

 

гарантийной эксплуатации, получивших в 70-80 гг. название «безремонтных».

Среди методов упрочнения наиболее распространенной оказалась закалка. Отнесем сюда и объемную закалку с нагревом в печах, и поверхностную с нагревом концентрированными источниками, такими как лазер, плазма, ТВЧ и др. Но и они не охватывают значительную часть машиностроительной продукции, которая, эксплуатируясь без упрочнения, быстро изнашивается и нуждается в частых ремонтах. Причем, как показывает опыт, это относится не только к отечественной, но и к импортной машиностроительной продукции.

Поэтому анализ современных методов поверхностного упрочнения начнем именно с закалки.

 

 

3.2 Плазменная закалка. Установка для ручной поверхностной закалки плазменной дугой.

В век роботов и «безлюдных» производств задача разработки ручной технологии может показаться ошибочной. Но это не так. Ручные технологии, благодаря универсальности, демонстрируют живучесть. В мире основной объём сварки (около 80%) выполняется электродами и полуавтоматами, т.е. вручную. По аналогии можно ожидать, что с разработкой ручной закалки объёмы упрочнения закалкой возрастут, и произойдёт это большей частью за счёт изделий, которые ранее по тем или иным причинам закалить было невозможно или проблематично. Разработанное оборудование (установка УДГЗ-200) для ручной плазменной закалки не исключает его применение в составе автоматических комплексов или роботов. Закалочная горелка может закрепляться на рабочем органе робота или автомата, подобно тому, как это делается с горелкой сварочного полуавтомата, обычно находящейся в руке сварщика.

При плазменной закалке вручную, по понятной причине, невозможно точно выдержать расстояние между электродом и деталью. При колебаниях же длины дуги значительно изменяться её тепловое воздействие на закаливаемую поверхность, что проявляется либо в оплавлении, либо в пропадании самого эффекта закалки. По этой причине плазменная закалка осуществлялась только с помощью автоматов, когда длину можно фиксировать на оптимальном значении. Новая современная установка УДГЗ-200 преодолела указанный недостаток и позволила закаливать вручную. Это существенно расширит область её применения: теперь закалке подлежит, что раньше было не доступно.

В состав входит: модернизированный источник питания типа ВД-306, УДГУ-251 и т.п. со встроенным блоком возбуждения дуги; блок охлаждения горелки и специальная горелка в комплекте с коммуникационными кабелями и рукаваим (рисунок 1,2, таблица 1).

 

 

1 – источник сварочного напряжения  со встроенным блоком управления  и возбуждения дуги; 2 – блок охлаждения БВА-02;

3 – закалочная горелка; 4 – комплект кабелей и рукавов.

Рисунок 3.1 – Вид установки плазменной закалки УДГЗ-200.

 

Горелка подключается к системе охлаждения, которая соединяется с источником питания через кабель-рукав. На источнике питания находятся разъёмы для подключения к сети и органы управления. В качестве плазмообразующего газа используется аргон. Установка снабжается паспортом и руководством по её эксплуатации.

При ручном ведении закалки важно иметь ориентиры, чтобы поддерживать нужную длину и скорость перемещения дуги. Сначала представлялось, что даже если они будут найдены, то оператор не сможет, раздваивая внимание, ими воспользоваться. Однако было найдено простое решение. Установили, что прежде чем закаливаемая поверхность под дугой начинает расплавляться – она «вспотевает». Это легко фиксируется визуально через сварочный светофильтр. Ориентируясь на это, сварщики 2-3 разрядов быстро овладевают навыком ручной плазменной закалки

 

 

1,4 – газовый рукав; 2 – сетевой  кабель питания установки;

3 – источник питания дуги; 5 –  сварочный кабель питания дуги;

6 – кабель управления; 7 – сетевой  кабель питания системы охлаждения; 8 – блок охлаждения; 9 – слив воды, токопровод; 10 – кабель от кнопки;

11 – рукав подачи воды в  горелку; 12 – рукав подачи газа  в горелку;

13 – кабель обратного провода; 14 – горелка;

Рисунок 3.2 – Схема подключения составных частей установки УДГЗ-200

 

Сварщик горелкой закаливает поверхность полосами шириной по 7-15 мм с некоторым их перекрытием. Закалка происходит без подачи воды, за счёт теплоотвода в деталь. Это позволяет вести её не только в термических цехах, но и на ремонтных или монтажных площадках. Закалка установкой УДГЗ-200 не дает деформации, не ухудшает шероховатость поверхности в диапазоне Rz 5 …80. Поэтому многие детали после плазменной закалки эксплуатируются без финишной шлифовки.

 

Таблица 3.1 – Технические характеристики УДГЗ-200.

Наименование параметра	Значение
Напряжение питающей сети, В	2х380
Номинальный ток, А	200
Потребляемая мощность, кВт не более	20
Блок охлаждения
Номинальное напряжение питающей сети, В	1х220
Емкость бака для охлаждающей жидкости, л	10
Максимальное давление, кг/см2	3,2
Потребляемая мощность, кВт	0,3
Закалочная горелка
Номинальный ток при ПВ=80% и цикле 1 час, А	200

 

Процесс закалки может быть механизированным или автоматизирован. В последнем случае горелка закрепляется, например, в резцедержателе токарного станка, или на рабочем органе робота.

Зубчатые колеса и шестерни для долговечности подвергают объемной закалке с отпуском, закалке газовым пламенем, закалке ТВЧ, цементации, нитроцементации и азотированию. Эти технологии требуют дорогостоящего оборудования и квалифицированного персонала, освоение их сопряжено с немалыми трудностями. В результате оказалось, что предприятий, нарезающих зубчатые колеса, гораздо больше, чем имеющих оборудование для их упрочнения. Поэтому значительная часть зубчатых колес эксплуатируется неупрочненной термической обработкой.

Разработанная ручная горелка имеет небольшие размеры, что позволило использовать её для упрочнения зубчатых колес. Исследования шестерни из стали 38ХС (рисунок 3) показали, что твердость в результате плазменной закалки увеличилась на глубине до 1,5 мм с HV239 до максимального значения HV783. Это позволило приступить к производственным испытаниям шестерен и зубчатых колес с плазменной закалкой.

 

 

Рисунок 3.3 – Шестерня с плазменной закалкой (а) и её макрошлиф (б)

 

В 2004 г. НТМК стал испытывать затруднения со своевременным изготовлением для сталеразливочных кранов грузоподъёмностью 225 т. Зубчатых венцов из стали 35ГЛ диаметром 2208 мм, которые поступали в эксплуатацию без термического упрочнения. После плазменной закалки (рисунок 4), венцы увеличили твердость с НВ200 до НВ500, а срок службы с 6 до 17 месяцев, т.е. в 2,8 раза. С тех пор все зубчатые венцы сталеразливочных кранов проходят плазменную закалку. Впоследствии с такими же эффектом закалились зубчатые венцы рудо-усреднительной машины на ЧМК, шаровых и стержневых мельниц на Высогорском и Качканарском ГОКах.

 

 

Рисунок 3.4 – Плазменная закалка зубчатого венца большого диаметра

 

На рисунке 3.5 представлены валы-шестерни, у которых плазменной закалкой упрочнены не только зубья, но и шлицы. Шлицы эджерного вала для калесопрокатного стана после плазменной закалки более чем вдвое увеличили наработку этого сложного и дорого стоящего изделия.

 

 

Рисунок 3.5 – Плазменная закалка шлицев вал-шестерней

 

Разработанная установка УДГЗ-200 для поверхностной закалки плазменной дугой обладает рядом важных особенностей, дающих возможность более широкого применения поверхностной закалки:

• Закаленный слой составляет 0,5-1,5 мм, что обеспечивает ему хорошую работоспособность в различных условиях эксплуатации.
• Закаленная поверхность не имеет окалины и не повреждается оплавлением, что позволяет многие детали, в том числе зубчатые и шлицевые, отправлять в эксплуатацию без дополнительной механообработки, или ограничиться зачисткой лепестковым кругом.
• Закалка производится без сопутствующего охлаждения водой, что позволяет выполнять её не только в термических цехах, но в самых различных местах: на монтажных и ремонтных площадках, на открытом воздухе, по месту эксплуатации деталей. Как следствие, стало возможным закаливать, что ранее было недоступно.
• Плазменная поверхностная закалка может применяться как дополнительное упрочнение штампов, прошедших объёмную закалку, с увеличением стойкости до нескольких раз.
• Закалка плазменной дугой упрочняет обычно не закаливающиеся низкоуглеродистые стали, что расширяет область применения закалки.
• Плазменная закалка может также применятся взамен традиционных, но более дорогостоящих закалок с нагревом в печах, газовым пламенем, ТВЧ.

 

 

3.3 Анализ патентов на  тему поверхностного упрочнения  рабочих поверхностей зубчатых  зацеплений

3.3.1 Способ формирования многослойного износостойкого покрытия на поверхности изделия из конструкционной стали.

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке стальных изделий, работающих в условиях абразивного износа при трении-скольжении или трении-качении, и может быть использовано в машиностроении для упрочнения различного вида зубчатых зацеплений и т. п.

Цель изобретения - повышение поверхностной твердости изделий.

Процесс ионного азотирования ведут при температуре 550(С) и давлению реакционного газа азота 0.5 Па. Через 60 хв. прекращают подачу реакционного газа, снимают переменное напряжение и оставляют в работе плазменный генератор с медным катодом на время 10 хв., за этим проводят нанесение защитного покрытия нитрида титана методом ПВД со скоростью 3мкм/год., на протяжении 60мин. при негативном напряжении постоянного тока - 150В на изделии, токе електродугового испарителя с титановым катодом 180А, давлению реативного газа азота 2*10(-1)Па.

 

 

 

 

3.3.2 Способ формирования износостойкого покрытия.

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке стальных изделий, работающих в условиях абразивного износа при трении-скольжении или трении-качении, и может быть использовано в машиностроении для упрочнения различного вида зубчатых зацеплений и т. п.

Цель изобретения - повышение поверхностной твердости изделий.

Способ формирования износостойкого покрытия на поверхности изделий из конструкционной стали, который включает их загрузку в вакуумную камеру, ее вакуумирование к давлению 2*10-2 Па, нагрев изделий в вакууме до температуры 200-250 С течении 10-15 мин., потом проводят плазменную очистку и активацию поверхности изделий в смеси газов: водороду, аргону, азоту, при одновременном наложение на изделия напряжения переменного тока 500-1500 В, потом ведут ионно-плазменное азотирование изделий.

 

 

3.3.3 Способ ионно-плазменного напыления электропроводных покрытий.

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке стальных изделий, работающих в условиях абразивного износа при трении-скольжении или трении-качении, и может использоваться в машиностроении для упрочнения зубчатых зацеплений.

Цель изобретения - повышение поверхностной твердости изделий

Способ ионно-плазменного напыления электропроводных покрытий программированной эластичности, который отличается тем, что на изделия подают электронную и ионную частицы газовой плазмы разнесенными во времени из сталью частотою, подавая и изменяя потенциал опорной напряжения на изделия из положительно на отрицательный, при этом за время действия негативного потенциалу на изделия направляют ионную часть плазмы, а за время действия- электронную часть, время действия положительного потенциалу до время действия отрицательного потенциалу устанавливают в зависимости от покрытия.