Плазменная закалка деталей и инструмента

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Доклад  по курсу

Прогрессивные методы обработки деталей

Тема: Плазменная закалка деталей и инструмента 
 
 
 
 
 
 

                                           Выполнила 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       2011

       Многие  ответственные детали работают на истирание  и одновременно подвергаются действию ударных нагрузок. Такие детали должны иметь высокую поверхностную твердость, что достигается применением способа поверхностного упрочнения деталей, либо нанесения на них различного рода покрытий.

       В последнее время для поверхностной  термической обработки деталей  все более находят применение источники высококонцентрированной энергии. При закалке относительно массивных деталей с использованием источников высококонцентрированной энергии, как правило, не требуются охлаждающие среды, так как локально нагретые слои очень быстро остывают в результате отвода теплоты в холодную массу детали.

       Термическое упрочнение стальных деталей является одним из наиболее эффективных и действенных способов увеличения ресурса работы нагруженных элементов машин и механизмов, а также снижения их материалоемкости. Во многих случаях технически и экономически оправдана локальная термообработка. При этом упрочняют только наиболее нагруженную рабочую поверхность детали, оставляя нетронутой сердцевину. Для поверхностного упрочнения деталей в промышленности широко применяют термическую высокочастотную и газопламенную обработки.

       Дальнейший  прогресс в повышении качества термообработки рабочих поверхностей деталей связывают с применением концентрированных источников энергии: электронного и лазерного луча, плазменной струи. При этом достигаются более высокие эксплуатационные свойства и качество упрочнения. Из всех способов термообработки высококонцентрированными источниками нагрева наиболее экономичным и производительным является плазменный. Он характеризуется меньшей стоимостью, доступностью технологического оборудования и большими размерами упрочненной зоны.

     Плазменное  упрочнение деталей подчиняется  основным закономерностям термической обработки железо-углеродистых сплавов. Основным отличием его от традиционных методов термической и химико-термической обработки является наличие сверхинтенсивного ввода энергии в металл и столь же активного отвода от поверхности в холодную сердцевину, благодаря чему достигаются значительные скорости нагрева и охлаждения металла, при которых формируется структура высокой дисперсности с резким повышением твердости и износостойкости поверхностных слоев.

     Пламя сжатой дуги на выходе из плазматрона  имеет температуру порядка 10000 - 20000°С. Поверхность детали нагревается  до температуры закалки за очень  короткий промежуток времени, в течение  которого нижележащие слои металла  не успевают прогреваться до критической точки и поэтому не закаливаются.  

      Метод отличает высокая производительность, низкие удельные энергозатраты, высокий уровень автоматизации благодаря локализации зоны обработки позволяет значительно снизить деформацию деталей, вести обработку труднодоступных и сложнопрофильных поверхностей. 
        Переналадка оборудования при упрочнении разнопрофильных деталей занимает незначительное время.  

      Применение плазменной технологии упрочнения существенно снижает затраты и повышает твердость деталей, подверженных обработке плазменной дугой.  

      Как показали исследования, износостойкость чугунных деталей, упрочненных плазменной дугой, возрастает в 8-10 раз, а стальных в 3-5 раз по сравнению с традиционными методами термической и химико-термической обработки. Кроме того, плазменное упрочнение позволяет в 3-4 раза повысить ресурс работы новых деталей.  

      Глубина плазменного упрочнения и распределение микротвердости зависят от мощности плазменной дуги, окружной скорости вращения детали и расхода плазмообразующего газа. Путем подбора соответствующих режимов плазменной обработки установлена возможность контроля глубины поверхностной закалки и управления ею и твердостью. 
 

 

 

      

     Особенности плазменной поверхностной закалки - кратковременность процесса нагрева и возможность создания условий охлаждения, обеспечивающих высокую интенсивность, - оказывают существенное влияние на структуру закаленного слоя. Эффект скорости охлаждения при металлографическом исследовании прежде всего заметен в диспергировании структуры. Скорость нагрева оказывает существенное влияние на размер рекристаллизованного зерна, так как с ее увеличением число центров рекристаллизации растет быстрее. Это приводит к измельчению зерна. Кратковременное пребывание стали в области закалочных температур и протекание фазовых превращений при температурах, превышающих равновесные, приводят к получению механических свойств, отличающихся от свойств стали, закаленной с нагревом от традиционных источников теплоты. В доэвтектоидной стали при быстром нагреве, когда структурно свободный феррит претерпевает перекристаллизацию без влияния атомов углерода, аустенитное зерно всегда несколько мельче того, которое обычно получается при медленном нагреве до температуры аустенизации. Такое изменение блочной структуры аустенита приводит к уменьшению размеров когерентных областей и увеличению значений микронапряжений и искажений в закаленной стали. В условиях поверхностной закалки это становится причиной повышения твердости закаленного слоя. В предварительно сорбитизированных структурах выравнивание концентрации углерода в аустените протекает быстрее, поэтому при нагреве стали с такой структурой размер зерна аустенита может быть еще более мелким - 14-16 баллов. Соответственно и игольчатость мартенсита имеет более тонкое строение, приближающееся к структуре, характеризующейся как безигольчатый мартенсит. Измельчение структуры мартенсита приводит к увеличению ударной вязкости.

       Применение  быстрого нагрева, способствующего  получению более мелкой структуры закаленной стали, дает возможность получить более благоприятное сочетание свойств прочности и вязкости.

       Повышение уровня эксплуатационных свойств упрочняемой  детали достигается за счет совершенствования  технологии упрочнения, что, в конечном счете, сводится к обеспечению оптимального термического цикла (нагрева-охлаждения) исходя из закономерностей структурных, фазовых и полиморфных превращений упрочняемого материала.

       Нагрев  под закалку осуществляют высокоэнтальпийной плазменной струей, стелящейся вдоль нагреваемой поверхности. Нагретая зона охлаждается сразу при выходе из плазмы, в основном, за счет отвода теплоты в тело массивной стальной детали, кондуктивного и радиационного теплоотвода с поверхности в атмосферу.

       Нагрев  каждого участка поверхности  происходит с нарастающей плотностью теплового потока в соответствии с изменением теплофизических параметров плазмы по мере приближения к устью струи. Эти параметры в свою очередь можно регулировать в широком диапазоне. Особенностью такого процесса является "мягкий" прогрев с относительно небольшой скоростью нарастания температуры до начала аустенитизации стали. При этом параметры греющей среды, время взаимодействия с учетом температуропроводности материала согласуются так, чтобы обеспечить наибольшую глубину прогрева. "Мягкий" прогрев плавно переходит в "жесткий" с высокой скоростью нарастания температуры в поверхностном слое для более полной аустенитизации, гомогенизации и растворения карбидов.

       Рассматриваемая схема процесса поверхностного плазменного  нагрева под закалку характеризуется высоким КПД (60-80%) и согласованностью темпов нарастания плотности теплового потока греющей среды с теплофизическими свойствами стали.

       Для высокотемпературной поверхностной  закалки применяют установку  УВПЗ-2М. В ее состав входят: источник электропитания; пульт управления с  цифровой системой индикации параметров, оптимизации процесса и неразрушающего контроля; электродуговые горелки с кабель-шланговыми пакетами; специальные формирующие насадки со шланговыми пакетами; пакет монтажных соединений и ЗИП.

   
 

       Технические характеристики:

Рабочий ток, А... 150-250 
Рабочее напряжение, В.... 180-250 
Расход сжатого воздуха при давлении в сети 0,5-0,6 МПа, м3/ч.......... 5-8 
Расход горючего газа, м3/ч: 
метана... 0,5 
пропан-бутана.... 0,2 
Расход воды для охлаждения при давлении в подводящей сети 0.3 МПа, м3/ч... 1,5 
Продолжительность включения ПВ,%...100 
Глубина закаленной зоны, мм.... 0,5-3,5 
Ширина закаленной зоны, мм... 5-35   

    Технологически установка УВПЗ-2М может работать, при необходимости, в трех режимах: 
•   режим наплавки; 
•   режим напыления; 
• режим упрочнения (поверхностная закалка деталей без применения порошковых материалов). 

       Среди упрочняющих технологий плазменная является относительно новой, интенсивно развивающейся в последние годы. Широкое распространение получил процесс плазменного поверхностного упрочнения гребней колесных пар без выкатки их из-под локомотива, а также с использованием автоматических линий. Стимулом развития технологии явились участившиеся случаи катастрофического изнашивания колесных пар тягового и подвижного состава на всех железных дорогах бывшего Советского Союза. Среди множества принимаемых мер плазменное поверхностное упрочнение явилось наиболее эффективным.

       Технология  плазменной поверхностной закалки  обеспечивает увеличение надежности и долговечности колесных пар тягового и подвижного состава. Интенсивность изнашивания гребней колесных пар с плазменным упрочнением значительно ниже, чем у серийных (в 2,5-3 раза). Разработанная технология закалки колесных пар обеспечивает две отличительные особенности, способствующие улучшению механических свойств (в т. ч. снижению коэффициента трения в контакте гребня с боковой поверхностью рельса) и повышению трещиностойкости материала колеса в зоне плазменного упрочнения: локальное (в зоне наибольшего износа) поверхностное упрочнение гребня колеса на глубину 2,5-3 мм и ширину 35 мм с твердостью 280 НВ (в исходном материале) до твердости 450 НВ, что обеспечивает оптимальное соотношение твердости контактирующих поверхностей колеса и рельса; изменение структуры упрочненной зоны колеса - с ферритно-перлитной смеси с размером исходных зерен 30-40 мкм до смеси мелкоигольчатого мартенсита с розеточным трооститом 50:50%.

       Плазменная  поверхностная закалка лезвия почвообрабатывающего инструмента дает существенные преимущества перед традиционными (объемная закалка, наплавка) процессами упрочнения, инструмент самозатачивается при работе, а сравнительные испытания на трех машиноиспытательных станциях с различными грунтами показали примерно двукратное увеличение стойкости. Учитывая высокую производительность закалки (2 см/с), легкость полной автоматизации процесса, простоту обслуживания оборудования, низкие текущие затраты и высокую эффективность, плазменное упрочнение лезвий почвообрабатывающего инструмента можно реализовать в условиях ремонтных предприятий.

       Плазменную  поверхностную обработку можно  эффективно применять для повышения стойкости шестерен и металлообрабатывающего инструмента. Проблема дефицита и высокой стоимости инструментальных сталей может быть существенно снижена для машиностроительных предприятий благодаря повышению работоспособности металлообрабатывающего инструмента (резцов, сверл, фрез). Плазменная поверхностная обработка позволяет повысить стойкость данного инструмента в 2-2,5 раза. 

         

Литература:

1. http://www.plasmacentre.ru/technology/13.php
2. http://nanoplazma.ru/wp-content
3. http://www.rusnanonet.ru/products
4. ООО "ЧЕРМЕТКОНТРАКТ", офиц. сайт предприятия http://chmk-nt.narod.ru
5. ЗАО «Технолог», Плазменная поверхностная закалка