Новые разработки установок плазменной закалки упзу, упзр. Современные проблемы науки и образования Оборудование для плазменной поверхностной термообработки металлов

УДК 621. 791

ПЛАЗМЕННАЯ ЗАКАЛКА ДЕТАЛЕЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

© Коротков Владимир Александрович, д-р техн. наук, e-mail: [email protected]

Нижнетагильский филиал Уральского федерального университета. Россия, г. Нижний Тагил Статья поступила 11.05.2012 г.

Разработка ручной поверхностной закалки плазменной дугой дала возможность упрочнять изделия, которые ранее не упрочнялись, и позволила решить многие задачи по увеличению срока эксплуатации металлургического оборудования. В несколько раз увеличен срок службы зубчатых колес литейных кранов, конусов дробилок, крановых рельсов, штампов различного назначения.

Ключевые слова: плазменная закалка; детали металлургического оборудования; износостойкость.

лияние закалки на долговечность деталей оборудования; способы закалки. Закалка чугуна и стали увеличивает твердость примерно в два раза, при этом износостойкость в зависимости от условий эксплуатации может увеличиваться в десятки раз, что объясняет ее применение при изготовлении деталей металлургического оборудования, относящихся к категории быстро изнашиваемых. Однако применение закалки сдерживается из-за того, что не для всех деталей возможно ее проведение из-за плохой прокали-ваемости массивных деталей, деформирования и образования трещин в них, высокой себестоимости, увеличивающейся в результате проведения обязательного отпуска. Для преодоления этих недостатков были разработаны способы поверхностной закалки с применением высококонцентрированных источников нагрева: электроконтактного и электролизного, газового пламени, токов высокой частоты (ТВЧ), лазерного и электронного лучей. Они способствовали расширению применения закалки, но, имея собственные недостатки, проблему не решили; по настоящее время эксплуатируется металлургическое оборудование с большим числом контактных поверхностей (сопряжений) деталей, не имеющих упрочнения, по этой причине быстро изнашивающихся и обусловливающих частые и дорогостоящие ремонты.

Одним из ранее не применявшихся способов поверхностной закалки стала закалка плазменной дугой. Первые сведения о нем появились в 80-х годах прошлого столетия. Наличие в промышленности плазменных аппаратов для резки, сварки, напыления было одной из причин поиска способа их применения для поверхностной закалки. Установку микроплазменной сварки применили для

закалки деталей шахтного оборудования, а установку плазменного напыления - для закалки деталей прокатных валков . Аппарат плазменной сварки УПС-501 модернизировали для закалки бандажей рельсо-правильных машин, а затем -прокатных валков . Адаптирована для закалки также установка плазменной резки УПР-404 .

Плазменная закалка 1980-1990-х годов имела существенный недостаток. Она применялась только в автоматическом режиме, когда параметры настройки легко поддерживаются неизменными, ручное же ведение процесса было практически невозможно. В современный век роботов и «безлюдных» производств разработка ручной технологии может показаться ошибочной. Однако, ручные технологии, благодаря универсальности, демонстрируют жизнеспособность. В мире основной объем сварки (более 80%) продолжают выполнять с помощью электродов или полуавтоматов, т.е. вручную. По аналогии полагали (этот расчет оправдался), что с разработкой ручного способа плазменной закалки объемы ее применения возрастут, и произойдет это за счет изделий,

Рис. 1. Закалка установкой УДГЗ-200

для которых ранее по тем или иным причинам провести закалку было невозможно.

Разработка способа ручной плазменной закалки и его характеристики. Проблема ручной плазменной закалки была решена в 2002 г. в ООО «Композит», созданном в 1990 г. при Нижнетагильском филиале УПИ (ныне УрФУ). Здесь разработали способ и установку УДГЗ-200 для ручной плазменной закалки .

В установке УДГЗ-200 (рис. 1) предусмотрена горелка, небольшие размеры которой делают ее удобной для ручного манипулирования, и позволяют обрабатывать самые труднодоступные места деталей.

Техническая характеристика установки УДГЗ-

200 приведена ниже

Масса (источник питания, горелка, блок

охлаждения горелки), кг 20 + 0,5 + 20

Напряжение сети, В 380

Мощность, кВт 10

Производительность, см2/мин 25-95

Расход рабочего газа (аргона), л/мин 15

Глубина закалки, мм 0,5-1,5 Твердость после закалки (в зависимости от

марки стали) до ИКС 65

При закалке сварщик перемещает дугу по поверхности со скоростью, обеспечивающей «вспо-тевание» (состояние предшествующее плавлению) поверхности под дугой. Этот процесс контролировать не труднее, чем плавление при сварке, но оно обеспечивает необходимый для закалки нагрев и не допускает грубого оплавления поверхности. Дуга оставляет на поверхности закаленные полосы шириной 8-16 мм, которые сварщик располагает с некоторым перекрытием. На их поверхности наблюдаются цвета побежалости в результате образования тонкой пленки оксидов, которая не оказывает существенного влияния на шероховатость в диапазоне Rz = 4-40 (рис. 2). Кроме того, плазменная закалка не дает значительных деформаций, что, в совокупности

Рис. 2. Плазменная дуга и закаленная ею полоса

с предыдущим позволяет исключить для многих деталей трудоемкую финишную механическую обработку твердого закаленного слоя и, как следствие, снизить трудоемкость и себестоимость производства.

Закалка происходит за счет отвода тепла в тело детали без подачи охладителя (воды) к месту нагрева . Поэтому установка УДГЗ-200 применяется на ремонтных площадках, по месту механообработки и эксплуатации деталей, а не только в термических цехах и специализированных участках. Работу на ней осваивают сварщики 2-го-3-го разрядов. При этом процесс закалки может быть механизирован, автоматизирован и роботизирован, что делает УДГЗ-200 пригодной к применению в современных высокотехнологичных производствах. Наличие установки УДГЗ-200 в определенной мере восполняет отсутствие печей для закалки, цементации, установок ТВЧ, делает закалку экологически чистой.

На рис. 3 представлен характерный микрошлиф закаленного слоя толщиной примерно 1 мм и распределение твердости в закаленных полосах, выполненных с перекрытием. Видно, что в результате нагрева плазменной дугой микротвердость увеличилась более чем вдвое: от -НУ 250 до НУ 700-800. В месте перекрытия полос (двойной закалки) микротвердость возрастает до НУ 800-900, а в зоне термического влияния второй полосы на первую снижается до НУ 600-700 вследствие протекания процессов отпуска.

Увеличение долговечности деталей металлургического оборудования в результате плазменной закалки. Закалка (см. рис. 1) установкой УДГЗ-200 зубчатых колес (сталь 35ГЛ, z = 90, т = 24) сталеразливочного крана (на Нижнетагильском металлургическом комбинате) грузо-

Расстояние от края второй закаленной полосы, мм

Рис. 3. Поперечное сечение образца (сталь 45) с двумя

полосами закалки плазменной дугой (внизу); распределение £

от поверхности (вверху) ш

подъемностью 225 т (выполняется с 2004 г.) увеличила твердость зубьев от НВ200 до НВ500 и срок службы - от 6 мес. до 17 мес., т.е. в 2,8 раза. Такие же колеса на кране меньшей грузоподъемности (на Челябинском металлургическом комбинате) (180 т) служат 10-11 мес. (до износа зубьев около 11 мм). После плазменной закалки они отработали вдвое больше и имели износ порядка 1 мм, т.е. на толщину закаленного слоя. Поскольку, износ зубьев не достиг предельного значения (11 мм), то сделана повторная закалка зубчатого колеса прямо на кране, без его демонтажа. Экономия за счет сокращения закупки зубчатых колес и расходов по их замене в данном случае составила примерно 4,8 млн руб., при эффективности вложений в плазменную закалку порядка 28 руб. экономии на каждый рубль расходов на закалку.

Подобным образом (предварительная закалкой новых зубчатых колес и повторные закалки без демонтажа по мере износа закаленного слоя) в семь раз увеличен срок службы зубчатого венца (сталь 40ГЛ) барабана окомкователя и под-венцовой шестерни (сталь 34ХН1М) в агломерационной установке. Экономия составила почти 38 млн руб. при эффективности вложений в плазменную закалку около 5 руб. экономии на каждый рубль затрат.

Шестерни (т = 10; г = 16) из конструкционной стали 40Х в «улучшеном» состоянии, в открытой передаче укладчика, работающего с вагоноопро-кидывателем в том же агломерационном производстве, изнашивались в течении одной недели. Плазменная закалка увеличила наработку - до четырех недель, т.е. в четыре раза. При этом износился только закаленный слой (~1мм), что позволило повторять закалку прямо на укладчике и увеличить срок службы шестерней до восьми раз.

В приводе прокатного стана 300 крутящий момент передается валкам через шлицевые муфты (сталь 45), срок службы которых не превышал трех месяцев. Упрочнение шлицев существенно снизило их износ: после двукратной наработки он составлял менее 10%.

Размеры закалочной горелки установки УДГЗ-200 позволяют закаливать зубья шестерен с модулем т > 6. Закалка производится по боковой поверхности зуба. Впадины между зубьями не закаливаются, так как там плазменная дуга не действует. Это недостаток закалки ТВЧ, вызывающий поломку зубьев при эксплуатации. Однако плазменная закалка только боковых поверхностей к поломкам не приводит, так как производится последовательно, тогда как закалка ТВЧ -

Рис. 4. Плазменная закалка зубьев (справа) исключила поломки имевшие место при закалке ТВЧ (слева)

одновременно по всему профилю, с наведением высоких остаточных напряжений. Кроме того, при закалке зубьев ТВЧ необходимо соблюдать еще одно условие - не допускать прокалки зубьев на всю толщину, для чего используют сталь пониженной про-каливаемости. В случаях поломки зубьев приводных шестерен из

конструкционных сталей (рис. 4) железнодорожных локомотивов (на Качканарском ГОКе) исключить поломки без замены стали удалось применением плазменной закалки, при этом вдвое сократился расход шестерен.

ГОЛЕНИЩЕВ А.А., ГОЛЕНИЩЕВ А.В., ПАНЫЧЕВ А.П., ПОЛУЯКТОВА Т.А., ШАВНИНА М.В. - 2015 г.

ВЫСОТНЫЕ ОТМЕТКИ РЕЛЬСОВ КРАНОВЫХ ПУТЕЙ КАКСЛУЧАЙНЫЕФУНКЦИИ

ГОЛЕНИЩЕВ А.А., ГОЛЕНИЩЕВ А.В., ИВАНОВ В.А. - 2015 г.

УДК 621.791

Д.С. Белинин, В.С. Верхорубов, П.С. Кучев, Н.Н. Струков, Ю.Д. Щицын D.S. Belinin, V.S. Verkhorubov, P.S. Kuchev, N.N. Strukov, Y.D. Shitcin

Пермский национальный исследовательский политехнический университет Perm National Science Polyechnical University

ПЛАЗМЕННАЯ ЗАКАЛКА ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТАЛИ 40Х13

PLASMA SURFACE HARDENING OF HARD LOADING CONSTRUCTIONS MADE OF STEEL 40X13

Изложена технология плазменной поверхностной закалки с оплавлением поверхности изделий из стали 40Х13. Приведены структура, твердость упрочненного слоя и внешний вид поверхности после обработки.

Ключевые слова: плазма, поверхностная закалка, твердость, износостойкость, большая глубина.

The paper presented the technology of plasma surface hardening of surface melting of steel products 40Ch13. Given structure, the hardness of the hardened layer and the surface appearance after treatment.

Keywords: plasma, surface hardening, hardness, wear resistance, great depth.

Решение вопросов повышения надежности, экономичности и ресурса выпускаемых деталей и узлов машин, агрегатов, ответственных конструкций требует применения материалов, способных работать в различных агрессивных средах, в условиях высокого перепада температур и давлений, повышенных вибраций при переменных контактных, ударных, статических нагрузках и т.д. . Возможность продолжительной эксплуатации таких изделий во многом связана с износостойкостью материалов, из которых они изготовлены. Многие параметры изделия в основном определяет состояние поверхностного слоя материала, из которого оно изготовлено. Поэтому использование дефицитных и дорогостоящих конструкционных материалов во всем объеме изделия нецелесообразно. 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 не-

сколько порядков превышающих значения, характерные для традиционных методов упрочнения (печной закалки, закалки ТВЧ, газопламенной закалки и др.), что способствует получению упрочненных слоев с недостигаемым ранее уровнем эксплуатационных свойств .

Сталь 40Х13 - высоколегированная, коррозионностойкая, жаропрочная сталь мартенситного класса (табл. 1).

Таблица 1

Химический состав стали 40Х13

стали С Бі Мп Б р Сг Мі Мо V прочие

40Х13 0,35-0,44 < 0,8 < 0,8 5 О, 0, VI < 0,025 12,0-14,0 - - - -

Хромистые стали рассматриваемой группы помимо высокой коррозионной стойкости обладают и другими важными свойствами - повышенными жаропрочностью и жаростойкостью. Повышенная жаропрочность высокохромистых сталей даже без дополнительного легирования связана с высоким содержанием хрома в твердом растворе; отношение Сг/С в этих сталях значительно выше критического. Кроме того, при достаточном содержании углерода в таких сталях они закаливаются на мартенсит даже при охлаждении на воздухе .

При высоких механических и антикоррозионных свойствах высокохромистые стали имеют пониженные технологические свойства, в том числе пониженную свариваемость, склонность к отпускной хрупкости, образованию ликваций, холодных трещин. Это связано с особенностями фазового состояния высокохромистых сталей и особенностями структурных и фазовых превращений, происходящих при нагреве и охлаждении.

Повышенная склонность мартенситных сталей к хрупкому разрушению в состоянии закалки усложняет технологию их обработки. При содержании углерода более 0,1 % мартенситные стали склонны к образованию холодных трещин из-за высокой степени тетрагональности кристаллической решетки мартенсита. Мартенситное превращение в них имеет две особенности, отрицательно влияющие на образование холодных трещин. При охлаждении сталей с температур нагрева аустенитного состояния (полного или частичного) мартенситный распад происходит в широком интервале скоростей охлаждения, что обусловливает обязательное образование в обработанной зоне полностью мартенситной структуры, иногда даже с некоторым количеством аустенита (повышенное содержание углерода, легирование никелем) или феррита (низкое содержание углерода, легирование ферритообразующими элементами).

Другая особенность мартенситного превращения, обусловливающая повышенную склонность к образованию холодных трещин, состоит в том, что мар-тенситный распад происходит при пониженной температуре (около 150 °С), исключающей протекание процессов самоотпуска. Образующийся в этих условиях мартенсит имеет повышенный уровень микронапряжений и плотность дислокаций, оказывающихся заблокированными, поэтому обладает повышенной хрупкостью.

Еще одна особенность сталей мартенситного класса осложняет технологические условия поверхностной обработки. В связи с тем, что мартенситные стали, в том числе и жаропрочные высокохромистые, являются термически улучшаемыми и используются после закалки и высокого отпуска, участки ЗТВ, нагревавшиеся при обработке до температуры, близкой к Ас1 разупроч-няются. Чтобы избежать такого разупрочнения, требуется проведение сложной термообработки.

В связи с указанным сочетанием свойств высокохромистые стали находят широкое применение в производстве большинства современных деталей машин, элементов конструкций и технологического инструмента. Как правило, такие изделия работают в условиях циклических нагрузок, при воздействии окислительных процессов, а также абразивных частиц. При этом максимальные повреждения и интенсивное изнашивание локализованы в поверхностном рабочем слое детали. В связи с этим особую актуальность приобретают задачи поверхностного упрочнения за счет изменения свойств и механизма изнашивания только рабочего слоя.

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 рекомендуется для повышения твердости и износостойкости переплавленного слоя высокоуглеродистых сталей.

Целью данной работы являлась разработка технологии плазменной закалки поверхности плиты и валка опорной пары мостовой конструкции. Опорная пара является тяжело нагруженным элементом мостовой конструкции и представляет собой каток, перемещающийся по поверхности плиты. Конструкция достаточно массивная и габаритная: вес катка 350 кг, плиты - 70 кг. Для обеспечения надежности такой конструкции к поверхности плиты предъявляются следующие требования: твердость на поверх-

ности не ниже 50 ИЯС, глубина упрочненного слоя 4 мм твердостью не ниже 42 ИЯС.

Для проведения плазменной закалки был собран стенд на базе универсального наплавочного станка У-653 (рис. 1). Для выполнения закалки использовалось многоцелевое оборудование для плазменной обработки металлов, разработанное на кафедре «Сварочное производство и технология конструкционных материалов» Пермского национального исследовательского политехнического университета.

Рис. 1. Установка для проведения плазменной закалки: 1 - источник питания ВД-306Ф; 2 - наплавочный станок У-653; 3 - пульт управления; 4 - плазмотрон; 5 - изделие; 6 - вентиль подачи воды; 7 - распределитель воды; 8 - баллоны с аргоном

Технологические параметры процесса плазменной поверхностной закалки включают в себя величину и полярность тока, скорость перемещения плазмотрона относительно изделия, расход защитного и плазмообразующего газов, диаметр плазмообразующего сопла (табл. 2). Упрочнение поверхности заданной площади достигается последовательным формированием локальных зон закалки в виде протяженных полос встык (рис. 2-4), 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 2

Режимы плазменной поверхностной закалки

Величина тока /св, А Полярность тока Величина скорости перемещения плазмотрона V, м/ч Расход плазмообразующего газа Qro л/мин Расход защитного газа Qз, л/мин

Рис. 2. Вид процесса плазменной закалки Рис. 3. Внешний вид поверхности

после обработки

Рис. 4. Макрошлиф поперечного сечения закаленного слоя

Упрочнение рабочей поверхности изделия с помощью плазменной поверхностной закалки с оплавлением поверхности обеспечивает формирование поверхностного слоя с высокими показателями твердости. Это достигается благодаря изменению физико-механических характеристик поверхностного слоя, вследствие образования специфической структуры и фазового состава металла с высокой твердостью и дисперсностью . Однако получить бездефектный слой с равномерно распределенными свойствами, без наличия крупных включений, трещин достаточно трудно. С целью подтверждения эффекта от плазменной закалки (повышение эксплуатационных свойств детали, отсутствие трещин в упрочненном слое) было проведено металлографическое исследование и замеры микротвердости основных зон полученных образ-цов-свидетелей, результаты которого представлены в табл. 3, 4 и на рис. 5, 6.

Рис. 5. Микроструктура и замеры микротвердости закаленного слоя (переход от литой структуры к игольчатой)

Рис. 6. Микроструктура и замеры микротвердости закакленного слоя (переход от зернистой структуры к основному металлу)

Таблица 3

Изменение твердости по глубине упрочненной поверхности плиты после механической обработки (шлифовка поверхности)

Глубина, мм 0,35 0,75 1,15 1,55 1,95 2,35 2,75 3,15 3,55 3,95 4,35 4,55

Твердость, ЫЯС 52 50 48 51 55 53 56 57 49 46 44 40

Структура Литая Игольчатая Зернистая

Таблица 4

Изменение микротвердости по ширине упрочненной поверхности

№ п/п Расстояние от центра, мм Твердость, ЫЯС

Таким образом, после плазменной поверхностной закалки с оплавлением поверхности качество упрочненного слоя полностью удовлетворяет установленным требованиям, что дает основание рекомендовать разработанную технологию обработки как эффективную для изделий из сталей типа 40Х13, работающих в условиях высоких контактных нагрузок и перепада температур.

Сделаем следующие выводы:

1. Разработана технология, позволяющая получить бездефектный упрочненный слой глубиной до 5 мм с равномерно распределенными прочностными свойствами по сечению с сохранением исходных свойств сердцевины детали.

2. Максимальные значения твердости достигаются вблизи центра закаленной зоны. При этом, в связи с эффектом отпуска закаленной стали при повторном нагреве, значение твердости в области стыковки двух последовательно упрочненных участков незначительно уменьшается.

3. Минимальная деформация обрабатываемого изделия снижает трудоемкость последующей механической обработки.

Список литературы

1. Тюрин Ю.Н., Жадкевич М. Л., Мазунин В.М. Упрочнение металлических изделий с использованием импульсно-плазменной технологии // Сварщик в России. - 2007. - № 1. - С. 48-52.

2. Сафонов Е.Н. Новые материалы и технологические процессы для продления ресурса прокатных валков / НТИ(ф) УГТУ-УПИ. - Нижний Тагил, 2005.- С. 275.

3. Влияние технологии поверхностного упрочнения высококонцентрированным источником нагрева на структуру и трещиностойкость наплавленного металла и углеродистых сталей / Л.К. Лещинский [и др.]. // Сварочное производство. - 1987. - № 5. - С. 3-5.

4. Плазменное поверхностное упрочнение / Л.К. Лещинский [и др.]. // Тэхника. - 1990. - 109 с.

5. Сафонов Е.Н., Журавлев В.И. Поверхностное упрочнение железоуглеродистых сталей дуговой закалкой // Сварочное производство - 1997. - № 10. -С.30-32.

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»

прогрессивный метод локального поверхностного упрочнения, многократно повышающий надежность и долговечность изделий

СУЩНОСТЬ ПЗ состоит в высокоскоростном нагреве потоком плазмы поверхностного слоя металла и быстром его охлаждении в результате передачи тепла в глубинные слои материала детали.

ЦЕЛЬ ПЗ - изготовление деталей и инструмента с упрочненным поверхностным слоем толщиной до нескольких миллиметров при неизменном общем химическом составе материала и сохранении во внутренних слоях первоначальных свойств исходного металла.

МАТЕРИАЛЫ, ПОДВЕРГАЕМЫЕ ПЗ - инструментальные стали, чугуны, твердые сплавы, цементированные и нитроцементированные стали, цветные сплавы и другие материалы.

ЭФФЕКТ ОТ ПЗ определяется повышением эксплуатационных свойств детали, благодаря изменению физико-механических характеристик поверхностного слоя, вследствие образования специфической структуры и фазового состава металла с высокой твердостью и дисперсностью, а также получения на поверхности сжимающих остаточных напряжений.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПЗ состоит из источника питания дуги, малогабаритного плазмотрона и механизма для перемещения плазмотрона или детали. В качестве источника питания используются установки плазменной сварки и наплавки УПНС-304, плазменной обработки УПО-302, УПВ-301, плазменной резки УПРП-201, сварочные выпрямители ВД-201, ВД-306, ВДУ-506 и другие. Плазмотрон изготавливается по оригинальным конструкторским разработкам. Механизмом для перемещения может служить серийное механическое, сварочное или наплавочное оборудование.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПЗ состоит из предварительной очистки (любым известным методом) и непосредственно ПЗ обрабатываемой поверхности путем перемещения изделия относительно плазмотрона или наоборот. Возможны следующие технологические варианты ПЗ - без оплавления и с оплавлением поверхности детали, с промежутками между упрочненными зонами или без них. Параметры процесса ПЗ - ток плазменной дуги (струи), расход плазмообразующего газа, расстояние между плазмотроном и изделием, скорость перемещения определяются алгоритмом, обеспечивающим получение оптимальных свойств в поверхностном слое упрочняемой детали. Интегральная температура нагрева в процессе ПЗ не превышает 150..200° С. В качестве плазмообразующего газа используются, как правило, аргон или его смеси с азотом, а также воздух. Средняя ширина закаленной зоны 6..13 мм.

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПЗ обработанной поверхности осуществляется визуально по наличию и сравнению цветовой окраски с эталоном, а также по увеличению твердости образца-свидетеля после ПЗ.

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПЗ определяются применением сварочных источников нагрева и требуют использования вытяжной вентиляционной системы и защиты органов зрения от излучения.

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПЗ: режущий и мерительный инструмент, штампы, напильники; контуры резьбы ходовых винтов, шестерен, зубчатых колес, реек; рабочие профили кулачков, копиров, а также разнообразных пазов, канавок, отверстий; направляющие, шпиндели, валы, оси, штоки; детали фотоаппаратов, текстильных машин, ножи для обработки дерева, бумаги, синтетических материалов; рамные и дисковые пилы, иглы, лезвия бритв, прокатные валки, коленчатые и распределительные валы, детали газораспределительных механизмов двигателей и т.д.

ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПЗ. По сравнению с аналогами - способами поверхностного упрочнения токами высокой частоты, газовым пламенем, химико-термической обработки, лазерным и электронно-лучевым упрочнением, данный процесс имеет ПРЕИМУЩЕСТВА:

низкие интегральные температуры нагрева деталей;

большая глубина упрочненного слоя по сравнению, например, с лазерной закалкой;

высокий эффективный КПД нагрева плазменной дугой до (85%), для сравнения, при лазерном

упрочнении - 5%;

отсутствие применения специальных дополнительных химических препаратов или веществ;

возможность ведения процесса без применения охлаждающих сред, вакуума, специальных

покрытий для повышения поглощательной способности упрочняемых поверхностей;

в отличие от лазерного оборудования, отсутствие специальных хладоагентов для охлаждения;

простота, низкая стоимость, маневренность, малые габариты технологического оборудования;

возможность автоматизации и роботизации технологического процесса.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЗ определяется:

повышением работоспособности и износостойкости деталей и инструмента;

сокращением затрат на изготовление запасных деталей и дополнительного количества инструмента для выполнения заданной производственной программы;

уменьшения объема заточных операций, времени и средств, связанных с настройкой прессов и металлообрабатывающих станков для инструмента, подвергнутого ПЗ;

высвобождением работников, занятых на изготовлении запасных деталей и дополнительного количества инструмента;

интенсификацией режимов работы инструмента;

увеличением выпуска продукции на существующем оборудовании, вследствие сокращения простоев для замены изношенных деталей и аварийных ремонтов оборудования.

ОПЫТ ВНЕДРЕНИЯ ПЛАЗМЕННОЙ ЗАКАЛКИ

ДЛЯ ПРОДЛЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

В сфере поверхностного упрочнения металлических изделий плазменное воздействие концентрированными источниками энергии находит всё более широкое применение. Но зачастую подходы конструкторов к проектированию деталей с износостойкой рабочей поверхностью по закалке ограничиваются требованиями по применению ТВЧ, цементации или азотирования. Накопленный опыт внедрения плазменной закалки свидетельствует о высокой экономической эффективности её использования. Особенно когда предприятие-заказчик является конечным потребителем и комплексно осуществляет упрочнение и эксплуатацию изделий. Технологически грамотное применение плазменной закалки может существенно расширить перечень упрочняемых деталей. Так, эта технология позволяет термообрабатывать детали различных типоразмеров, как с относительно простой геометрией (прокатные валки, валы, колёса, бандажи, шкивы и т.п.) в автоматическом режиме, так и поверхности с развитым профилем (шестерни, гравюры штампов, звёздочки, шлицевые соединения и т.п.) в ручном и автоматическом режимах. Плазменная закалка без оплавления не ухудшает параметров поверхности после механической обработки, поэтому эффективно встраивается в технологический процесс изготовления или ремонта деталей в качестве финишной операции. Широкая гамма упрочняемых плазменной закалкой железоуглеродистых сплавов – от низкоуглеродистых сталей до чугунов – требует внедрения установок, обеспечивающих широкий диапазон регулирования мощности, длины и сосредоточенности плазменной дуги. Последнее поколение установок, разработанных кафедрой, полностью отвечает этим требованиям. Эти установки более мощные, и позволяют закаливать детали на глубину более 2 мм. В качестве примера на рис.1 показаны данные по глубине, твердости и структуре зоны закалки на образце из стали 30ХН2МА.

Одна из таких установок, предназначенная для закалки ручным инструментом (УПЗР1) показана на рис. 2. Номинальный рабочий ток – 220 А. Масса установки – не более 160 кг, напряжение питающей сети – 380 В, мощность – не более 20 кВА, расход плазмообразующего газа (аргона) составляет не более 10 л/мин. Производительность УПЗР1 – 180…300 см 2 обрабатываемой поверхности в минуту.

Принцип действия УПЗР заключается в создании при помощи источника питания, осциллятора и плазмотрона плазменной (сжатой) дуги прямого действия. За счет теплового воздействия дуги при перемещении держателя с плазмотроном относительно обрабатываемой поверхности получается закаленная полоса, ширина которой регулируется расстоянием от торца плазмотрона до изделия и напряжением на электромагнитной катушке сканирующего устройства. В целях расширения технологических возможностей установки предусмотрена также обработка плазменной дугой комбинированного действия. При этом в плазмотроне горят одновременно две дуги (между катодом и соплом плазмотрона и между катодом и поверхностью детали), электрическая мощность каждой из них регулируется независимо, что позволяет в широких пределах варьировать тепловложение.

Согласно результатам производственных испытаний закаленных подобной установкой трефовых шеек (сталь 45) валков пильгерстана Северского трубного завода, износостойкость после плазменной закалки возросла в три раза, срок службы закалённых деталей увеличился на 30% (Рис. 3).

С помощью этой установки для ОАО «ПРОМКО» производится закалка вставок штампов пресса PKZe-800 для производства шаров стальных мелющих (Рис. 4). В результате поверхностного упрочнения гравюр стойкость штампов увеличилась в 2,7 раза.

В три раза возрос срок службы закаленных с помощью УПЗР-1 лопаток дробомета (сталь 45) в ОАО «Металлист» (г. Качканар) с увеличением твердости от 26..30 до 50 HRC (Рис 5.).

В ОАО «Северский трубный завод» с помощью УПЗР-1 проводилось упрочнение зубчатого колеса сталь 45Л непосредственно на кране цеха переработки металлолома (рис. 6). До закалки колесо было аварийно заменено на неупрочненное. Плазменная термообработка увеличила твёрдость с HB 200 до 51 HRC.

Для ООО «Уралпромтехсервис» (г. Екатеринбург) осуществлялась плазменная закалка плоскостей направляющих (сталь ШХ15) от HB 250 до 60 HRC (рис. 7)

Такая установка успешно работает на Бийском механическом заводе. В 2012 году установку УПЗР-1 приобрел Комбинат «Североникель» Кольской горно-металлургической компании (г. Мончегорск).

В 2011 году была создана установка УПЗР-2 с использованием инверторных источников питания дуги, она позволяет упрочнять ручным инструментом более мелкие детали, например, шестерни с модулем 3. Номинальный рабочий ток – 150 А. Масса УПЗР-2 – не более 80 кг, напряжение питающей сети – 220 В, потребляемая мощность – 12 кВА. Производительность – 30…120 см 2 обрабатываемой поверхности в минуту.

Успешно обрабатывались такой установкой шлицевые соединения эджерных валов из стали 5ХНМ для ОАО «ЕВРАЗ НТМК» от 37 до 58 HRC (Рис. 8,9).

Рис. 9. (х 2)

Установкой УПЗР-2 упрочнялись захваты из чугуна СЧ30 для ООО «Югсон-сервис» (г. Тюмень) от 40 до 60 HRC (рис.10).

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. 11) для обработки поверхности деталей, представляющих собой тела вращения, 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, т.е. 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.

На производственной площадке ООО «ТУР-1» (г. Пермь) посредством УПЗА-1 упрочнялись ребристые ролики (сталь 50) раскатного поля стана 5000 для Магнитогорского металлургического комбината с увеличением твердости от 27 HRC до 59 HRC (Рис.12).

С помощью такой установки упрочнялись многие детали в ОАО «Северский трубный завод» (г. Полевской). В том числе шаблоны технологические, (сталь 32Г2), срок эксплуатации которых после плазменного упрочнения повысился на 40% (Рис. 13). Плазменная закалка увеличила твердость рабочей поверхности от HB 180 до 50 HRC.

Такие установки нашли своё применение при закалке дистанционных колец для ОАО «Уралмашзавод», (сталь 34ХН1М) с повышением твердости от 33..35 до 59 HRC, при упрочнении ручьев шкивов (сталь 45), для ЗАО «Уралмаш Буровое Оборудование» с увеличением твёрдости от 27 до 52 HRC, валов сталь 40Х с повышением твердости от HB 236 до 52 HRC для ОАО «СПЕЦНЕФТЕХИММАШ» (г. Краснокамск) и др.

Из наиболее примечательных вариантов технологических решений по упрочнению установкой УПЗА следует отметить закалку штоков толкателя пресс-ножниц (производства Франции) на ОАО «Трубная металлургическая компания» г. Полевской (рис. 14). Длина штока более 9 метров, диаметр – 180мм. Он был изготовлен для аварийной замены из стали 21ХМФА. Плазменной закалкой удалось увеличить твердость поверхностного слоя с HB 130 до 40 HRC без продольной деформации штока, и пресс-ножницы продолжают бесперебойную работу вот уже более двух лет.

Установки УПЗА были изготовлены и поставлены для Полтавского Горно-обогатительного комбината (г. Комсомольск, Украина), ООО НПО Техногрупп (г. Волгоград), Механический завод (г. Бийск). Такие установки эффективно работают при закалке гребней бандажей локомотивов на Лебединском и Качканарском горно-обогатительных комбинатах.

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 году сотрудниками лаборатории плазменных процессов Нижнетагильского технологического института была создана и успешно испытана универсальная установка плазменной закалки в ручном и автоматическом режиме УУПЗ-1 (Рис. 15). С помощью этого оборудования появилась возможность упрочнять практически любые детали как с относительно простой геометрией, так и поверхности с развитым профилем. В качестве источника плазменной дуги в УрФУ был разработан и изготовлен 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 проводить закалку с выездом на производственную площадку заказчика. Так, например, в ООО «Уралтехпромсервис» (г. Екатеринбург) проводилась термообработка валов (сталь 40Х) с увеличением твердости от 27 до 62 HRC (рис. 16). Диаметр вала 170 мм, длина 3500 мм.

Для ОАО «СПЕЦНЕФТЕХИММАШ» (г. Краснокамск) упрочнялись шлицы и шейки валов (сталь 40Х) от 25 до 52 HRC (Рис. 17).

Все перечисленные установки удовлетворяют условиям промышленной эксплуатации и отвечают требованиям по экологии и безопасности к проведению работ по аргонодуговой сварке.

Внедрение таких установок не требует существенных капитальных затрат. Необходима организация одного или нескольких рабочих мест (в зависимости от желаемых объемов внедрения), подобных рабочим местам для аргонодуговой сварки, Рабочее место должно быть обеспечено источником и сливом водопроводной воды для охлаждения плазмотрона.