Issuu on Google+

Молодежный инновационный форум Приволжского федерального округа Конкурс научно-технического творчества молодежи (НТТМ) Интернет-сайт: http://ify.ulstu.ru. Ульяновск, 2011 год УДК.621.791.755

Плазменная поверхностная закалка плит опорной пары мостовой конструкции Пермский государственный технический университет Белинин Дмитрий, аспирант кафедры «СП и ТКМ» Научный руководитель: Щицын Юрий Дмитриевич, д.т.н., профессор Проблема продления эксплуатационного ресурса деталей и изделий, работающих в тяжелых условиях (валки прокатных станов, штоки гидроцилиндров, корпуса силовых агрегатов, оси, валы пар трения), является весьма актуальной как в экономическом так и в экологическом и ресурсосберегающем аспектах, поскольку их первичное производство и утилизация сопровождаются потреблением сырьевых и энергетических ресурсов, а также техногенным загрязнением окружающей среды. Перспективным направлением решения этой проблемы представляется упрочняющая термическая обработка(закалка) рабочей поверхности изделий плазменной дугой. Основной отличительной особенностью метода плазменного поверхностного упрочнения является возможность получения скоростей нагрева и охлаждения материалов, на несколько порядков превышающих значения, характерные для традиционных методов упрочнения (печной закалки, закалки ТВЧ. газоплазменной закалки и др), что способствует получению упрочненных слоев с недостигаемым ранее уровнем эксплуатационных свойств. Актуальность предлагаемой технологии подтверждена потребностью предприятий занимающихся производством изделий для машиностроения, горного дела, мостостроения, работающих при повышенных нагрузках и в тяжелых условиях условиях. Научно-технической новизной предлагаемого проекта является применение в качестве высококонцентрированного источника энергии плазменной дуги как прямой так и обратной полярности и разработка комплекса оборудования, для проведения плазменной поверхностной закалки различных групп сталей, имеющего возможность быстрой переналадки при смене требований к поверхности изделия (финишная обработка, глубина слоя с определенными свойствами и т.д.). В качестве примера перспективности использования плазменной поверхностной закалки была проведена опытная работа по закалке поверхности плит опорной пары свободного конца моста. По условиям заказчика необходимо обеспечить: твердость поверхностного слоя 49-54 HRC, глубину упрочненного слоя 4 мм., путем применения плазменной поверхностной закалки (рис. 1). Материал плиты – корозионно-стойкая сталь мартенситного класса 40Х13 имеющая в исходном состоянии твердость порядка 15-20 HRC.


Молодежный инновационный форум Приволжского федерального округа Конкурс научно-технического творчества молодежи (НТТМ) Интернет-сайт: http://ify.ulstu.ru. Ульяновск, 2011 год

Рис. 1. Внешний вид поверхности плиты после закалки.

Применение традиционных методов повышения твердости поверхности к данной стали сопровождается рядом трудностей: во-первых наличие теплостойких карбидов хрома ведет у увеличению времени нагрева детали а следовательно и всего цикла обработки детали и соответственно снижается экономическая эффективность процесса, во-вторых получить требуемую глубину упрочненного слоя с требуемыми характеристиками достаточно проблематично. Применение плазменной поверхностной закалки на токе прямой полярности позволяет решить эти проблемы за счет эффективного КПД нагрева (60-70%) детали. Плазменная поверхностная закалка может осуществляться как с оплавлением, так и без оплавления поверхности. Обработка без оплавления, обеспечивает сохранение параметров шероховатости поверхности, достигнутых предшествующей механической обработкой. В этом случае термообработка является финишной операцией и легко встраивается в технологический процесс изготовления или ремонта. Обработка с оплавлением, рекомендуемая для повышения твердости и износостойкости переплавленного слоя высокоуглеродистых сталей. Технологические параметры процесса плазменной поверхностной закалки включают в себя величину и полярность тока, скорость перемещения плазмотрона относительно изделия, расход защитного и плзазмообразующего газов, диаметр плазмообразующего сопла (табл. 1). Упрочнение поверхности заданной площади достигается последовательным формированием локальных зон закалки в виде протяженных полос встык (рис. 2), с зазором или с перекрытием между ними. Данная работа проводилась в варианте плазменной закалки на токе прямой полярности с оплавлением поверхности без перекрытия и без зазора между упрочненными зонами на следующих режимах: Таблица 1. Режимы плазменной поверхностной закалки Величина св. тока Iсв, А

240

Полярность тока

прямая

Величина скорости пер. плазм.V, м/ч

7.2

Расход плазмообразующего газа Qп, л/мин

5

Расход защитного газа Qз, л/мин

7


Молодежный инновационный форум Приволжского федерального округа Конкурс научно-технического творчества молодежи (НТТМ) Интернет-сайт: http://ify.ulstu.ru. Ульяновск, 2011 год

Рис. 2. Макрошлиф поперечного сечения закаленного слоя.

С целью подтверждения эффекта от плазменной закалки, определяющегося повышением эксплуатационных свойств детали благодаря изменению физико-механических характеристик поверхностного слоя, вследствие образования специфической структуры и фазового состава металла с высокой твердостью и дисперсностью, были проведены металлографическое исследование и замеры микротвердости основных зон полученных образцов-свидетелей, результаты которого представлены в таблице 2 и на рис.3,4.

Рис. 3. Микроструктура и замеры микротвердости закаленного слоя (переход от литой структуры к игольчатой).

Рис. 4. Микроструктура и замеры микротвердости закакленного слоя (переход от зернистой структуры к основному металлу)


Молодежный инновационный форум Приволжского федерального округа Конкурс научно-технического творчества молодежи (НТТМ) Интернет-сайт: http://ify.ulstu.ru. Ульяновск, 2011 год Таблица 2. Изменение твердости по глубине упрочненной поверхности плиты после механической обработки (шлифовка поверхности). Глубина, Твердость, мм HRC 0.35 52 0.75 50 1.15 48 1.55 51 1.95 55 2.35 53 м 2.75 56 3.15 57 3.55 49 3.95 46 4.35 44 4.55 40

Литая структура

Игольчатая структура Зернистая структура

Твердость поверхностного слоя составила 52-60 HRC Вывод. Применение плазменной поверхностной закалки на прямой полярности вкупе с традиционными вариантами обработки поверхности (с оплавлением) позволяет получить резкое изменение структуры и, следовательно, увеличение прочностных свойств и износостойкости рабочей поверхности обрабатываемого изделия на глубину до нескольких миллиметров. Список литературы 1. Сафонов Е.Н. / Новые материалы и технологические процессы для продления ресурса прокатных валков// НТИ(ф) УГТУ-УПИ. – 2005. 2. Л. К. Лещинский, С. С. Самотугин, И. И. Пирч, Ю. И. Анисимов и др. / Влияние технологии поверхностного упрочнения высококонцентрированным источником нагрева на структуру и трещиностойкость наплавленного металла и углеродистых сталей. // Свар. пр-во. - 1987. - 5. - С. 3 - 5. 3. Л. К. Лещинский, С. С. Самотугин, И. И. Пирч и др. / Плазменное поверхностное упрочнение. // Тэхника, 1990. 4. Г. Ф. Антонова, С. Ф. Морящев. / Формирование зоны отпуска при закалке стали сканирующим лучом. // Физика и химия обраб. материалов. - 1988. 5. В. И. Чачин и др. / Исследование процесса плазменного поверхностного термоупрочнения. // Технология и организация пр-ва. - 1982.


/Belinin_D