Меню Рубрики

Установка плазменная упрочнения гребней колесных пар

Плазменное поверхностное упрочнение

Плазменное поверхностное упрочнение (закаливание) гребней колесных пар считается основным (наряду с рельсосмазыванием) способом предотвращения износа гребня.

Установка упрочнения колесных пар (УУКП) представляет собой механизм вращения колесной пары и два плазмотрона, установленных непосредственно вблизи рабочей поверхности колес, с профилированным срезом канала на выходе в соответствии с профилем колеса. Вращение колесной пары и режим работы плазмотронов управляются компьютером.

Для генерирования плазмы используются плазмотроны с закрытой электрической дугой косвенного действия, т.е. отрицательный и положительный полюса источника питания подаются на электроды плазмотрона, соответственно, катод и анод, расположенные внутри плазмотрона. При работе плазмотрона сжатая электрическая дуга, горящая между катодом и анодом, стабилизируется вихревым газовым потоком. В качестве плазмообразующего газа используется технический азот т.к. он является нейтральным газом по отношению к электродам. Вольфрамовый наконечник катода впаян в медный держатель. Межэлектродная вставка (сопло) и медный анод служат для создания требуемых электрических параметров дуги. Низкотемпературная плазма образуется при взаимодействии электрической дуги с азотом. Далее плазменная струя формируется в щель преобразователем потока.

Технология термоупрочнения основана на воздействии низкотемпературной плазмы на поверхность обода колеса. Конструкция плазмотрона позволяет за один проход обрабатывать гребень и часть поверхности катания, т.е. область колеса, наиболее подверженную износу, это так называемая область «бокового износа». Нагрев металла производится в — области до температуры, не приводящей к образованию оплавленного слоя. Охлаждение осуществляется на воздухе и за счет теплоотвода металлом колеса.

На рис. 2.2.3.1. представлено поперечное сечение обода колеса, подвергнутого плазменной обработке, на котором травлением выявлена упрочненная зона. Эта зона имеет вид непрерывной полосы шириной до 70 мм, охватывающей часть поверхности катания (до 35 мм) и гребня (до 35 мм). Максимальная толщина упрочненного слоя — 5 мм.

Рис. 2.2.3.1. Поперечный шлиф обода термоупрочненного колеса

Структура и свойства термоупрочненного колеса.

При исследовании микроструктуры термоупрочненного и переходных слоев выявлено пять участков с различным типом микроструктуры (рис. 2.2.3.2.):

Тонкий поверхностный слой с аустенитной структурой толщиной до 20 мкм (рис. 2.2.3.2 а). Слой прочно связан с металлом колеса, не отслаивается. Наблюдается прорастание игл «фермообразного» мартенсита вглубь данного слоя. Его твердость несколько ниже, чем у прилегающего слоя с игольчатой структурой. Определить точное значение микротвердости не представляется возможным из-за малой толщины слоя. Электронно-микроскопическое исследование показало присутствие в этом слое нитридных фаз, образовавшихся в результате насыщения поверхностных слоев металла азотом, вследствие особенностей технологии плазменной обработки. То обстоятельство, что вблизи поверхности имеется слой аустенита, позволяет предположить, что содержание азота в поверхностном слое может достигать 1.5-2.0% вес.

Слой со структурой низкоотпущенного «пакетного» мартенсита с микротвердостью H0,981 = 500 — 740 Н/мм 2 (рис. 2.2.3.2 б). Ширина этого слоя достигает 1 мм. Тонкая структура этого слоя включает две составляющие — двойникованные пластины и более тонкие рейки мартенсита. Внутри двойникованных кристаллов мартенсита наблюдаются дисперсные частицы карбидов размером 50-100 мкм.

Рис. 2.2.3.2. Изменение микроструктуры с увеличением толщины термоупрочненного слоя

а) на толщине до 20 мкм, б) 0.1 мм, в) 1.0 мм, г)7.0 мм (увеличение в 500 раз).

Область неоднородной промежуточной структуры, представляющая собой смесь участков троостомартенсита с H0,981 = 420 Н/мм 2 и мартенсита с H0,981 = 610 Н/мм2. Ширина этого слоя также до 1 мм (рис. 2.2.3.2 в).

Промежуточная структура троостосорбита с H0,981 = 300 — 390 Н/мм 2 шириной до 1 мм плавно переходящая к основному металлу.

Структура основного металла колеса — сорбит отпуска с участками феррита по границам зерен (H0,981 = 300 — 320 Н/мм 2 ).

Таким образом, плазменная обработка обеспечивает плавный переход от закаленных структур к структурам основного металла колеса, что должно благоприятно сказываться на прочности сцепления термоупрочненного слоя с основным металлом. [9]

Рис. 2.2.3.3. Распределение микротвердости по толщине упрочненного слоя

С февраля 1996 года в локомотивном депо Рыбное действует установка УУКП-4, производящая упрочнение выкаченных и новых заводских колесных пар, а с мая 1998 года установка УУКП-4а, упрочняющая колесные пары без выкатки после обточки на станке КЖ-20. Установки упрочнения предназначены для поверхностной закалки (шириной 3-4 мм) гребня и сопряжения гребня и поверхности катания колесной пары. Закалка производится током высокой частоты в среде азота, в результате чего азот переходит в состояние высокотемпературной плазмы. Контроль за процессом компьютеризирован. Компьютер контролирует ток, напряжение, мощность, расход газа, скорость вращения колеса.

Технология плазменного упрочнения разработана ВНИИЖТ совместно с Объединенным институтом высоких температур РАН и ООО «Современные плазменные технологии».

В состав установки упрочнения колесных пар (УУКП) входят: система электроснабжения, механизм вращения колесных пар, система газоснабжения, система водяного охлаждения, центральный пульт управления (ЦПУ), персональный компьютер (ПК), два плазмотрона.

В качестве плазмообразующего газа используется технический азот, подаваемый от баллонной рампы через редуктор по трубопроводу в ЦПУ. Расход азота через каждый плазмотрон составляет (1ч3)*10-3 кг/с, давление азота на входе в электроклапан 0,5ч0,7 МПа. Для охлаждения плазмотронов используется техническая вода.

Колесные пары, предназначенные для плазменного упрочнения гребней, должны соответствовать ГОСТ 398-96, ГОСТ 3225-80, ГОСТ 11018-87, ТУ 0943-01124328-98, конструкторской и технологической документации, утвержденной в установленном порядке, «Инструкции по формированию, ремонту и содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм » ЦТ — 329 от 14.06.1995 г.

Читайте также:  Установка sierra на новый диск

Плазменному упрочнению подвергаются колесные пары, прошедшие окончательную механическую обработку поверхности обода бандажа на станке. Механически обработанный бандаж колесной пары должен иметь профиль, установленный «Инструкцией по формированию, ремонту и содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм» ЦТ-329 от 14.06.1995 г. После упрочнения дополнительной механической обработки бандажа не требуется.

Не допускается подвергать плазменному упрочнению колесные пары с ранее наплавленными гребнями (о наплавке свидетельствует маркировка на колесе и отметка в паспорте колесной пары).

На поверхности бандажа не должно быть следов загрязнений и масла. Перед плазменным упрочнением должна проводиться дефектоскопия бандажа согласно действующей технической документации.

Колесная пара, поступающая на упрочнение гребней, должна иметь температуру не менее +5°С. Контроль температуры производится мультиметром или другим прибором с пределом измерения от -10°С до +50°С и относительной погрешностью измерений не более 2%.

Плазменное упрочнение гребня бандажа производится за один оборот колесной пары полосой шириной 35-45 мм, определяемой по образующей профиля. Зона упрочнения начинается на расстоянии 5-8 мм от вершины гребня. Глубина зоны упрочнения должна составлять 1,5-3 мм. Допускается перекрытие начальной зоны упрочнения длиной 15-20 мм. Не допускается повторное упрочнение по упрочненному слою, за исключением вышеуказанной зоны. При аварийном отключении установки дальнейшее продолжение процесса допускается с перекрытием зоны упрочнения длиной 15-20 мм. Повторное плазменное упрочнение гребней возможно только после естественного (эксплуатационного) износа всего упрочненного слоя или после удаления его механической обработкой.

Значение микротвердости, измеряемое на поперечном микрошлифе на глубине 0,03-0,05 мм от поверхности упрочненного слоя должно составлять 800±50 HV0,05 (соответствующего мартенситной структуре) и плавно снижаться через закалочные структуры вглубь бандажа до твердости основного металла. Микротвердость по длине зоны перекрытия не должна иметь резких перепадов.

После плазменного упрочнения производится повторная дефектоскопия бандажа согласно действующей технической документации. Дефекты в виде кратеров и оплавлений более 0,03 мм в упрочненной зоне не допускаются. При выявлении вышеуказанных дефектов колесная пара поступает на переточку.

В процессе упрочнения производится контроль основных технологических параметров (скорость вращения колесной пары, мощность дуги и расход газа).

Процесс плазменного упрочнения гребней может осуществляться как в автоматическом, так и в ручном режимах. Технологические параметры (скорость вращения колесной пары, мощность дуги, расход газа) должны соответствовать параметрам, при которых проводились периодические испытания. Они указываются в акте, составленном на основании протокола металлографических исследований контрольной колесной пары. Общая последовательность включения установки в ручном режиме следующая:

· включается подача воды в систему охлаждения плазмотронов;

· включается механизм вращения колесной пары и устанавливается заданная скорость вращения;

· устанавливаются плазмотроны на колесную пару;

· включаются источники питания плазмотронов;

· отключение каждого источника питания происходит после полной обработки бандажа.

В автоматическом режиме плазменное упрочнение гребней осуществляется по программе ПК, после установки колесной пары на механизм вращения, включения водяного охлаждения и позиционирования плазмотронов на колесной паре. Автоматизированная система выдает на дисплей ПК информацию об измеряемых и вычисляемых параметрах технологического процесса в виде таблиц и графиков в зависимости от их времени, а также производит запись на жесткий диск ПК. При формировании архивного кадра технологического процесса в ПК вводятся следующие данные: номер оси колесной пары, диаметр бандажей, заводская маркировка каждого бандажа, фамилия оператора (рис.2.2.3.4.).

Рис. 2.2.3.4. Данные на дисплее оператора

О проведении плазменного упрочнения гребней производится отметка в паспорте колесной пары локомотива с указанием места, даты (числа, месяца, года) и смены. Отметка об обработке делается также в учетной форме ТУ-21. Процесс плазменного упрочнения гребней каждой колесной пары сохраняется в памяти ПК с указанием даты упрочнения, номера колесной пары, заводской маркировки каждого бандажа и фамилии оператора. После плазменного упрочнения гребней на наружной торцевой поверхности бандажей колесных пар наносится желтая контрольная полоса.

Бытующее среди части специалистов и ученых мнение, что значительное превышение твердости гребня колеса над твердостью рельса отрицательно отразится на состоянии пути и приведет к увеличению интенсивности бокового износа рельсов, практикой не подтверждается. Однако плазменное упрочнение позволяет снизить износ гребня. Анализ состояния колесных пар приписного парка локомотивного депо Рыбное показывает, что у упрочненных колесных пар износ значительно ниже, у неупрочненных.

Интенсивность износа гребней колесных пар электровозов ВЛ10, ВЛ10у приписного парка локомотивного депо Рыбное на 10 тыс.км пробега

источник

Установка плазменная упрочнения гребней колесных пар

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра электроподвижного состава

5.3. Термическая обработка деталей и упрочнение

Экономия эксплуатационных расходов и безопасность движения поездов обеспечивается за счет увеличения ресурса деталей технологиями упрочнения [19].

Контактная долговечность колесных пар и рельсов обеспечивается приблизительно одинаковым значением твердости рельсовой и колесной стали. Метод плазменного упрочнения гребней колесных пар подвижного состава с электрической дугой прямого действия широко применяется на практике. Значение твердости распределяется по сечению детали и снижается от максимальной локальной твердости поверхностного слоя до значений твердости исходного материала за счет отпуска в переходной зоне. Технологией плазменного упрочнения электрической дугой прямого действия не обеспечивается равномерное снижение твердости по сечению деталей из-за сложности распределения потока тепловой энергии в металле.

Читайте также:  Установка принтера hp d2500

Фирмой «Маттех» разработан плазменный генератор с вынесенной электрической дугой, которая управляется магнитными полями. Требуемые характеристики закаленного слоя обеспечиваются за счет управления тепловым потоком в металле перемещением электрической дуги по упрочняемой поверхности магнитным полем. Структура закаленного слоя бандажей колесных пар локомотивов получается с твердостью 450 – 550 HV глубиной 2 – 3 мм и шириной закаленной зоны около 35 мм.

Для увеличения ширины закаленной зоны и получения высокой твердости (более 900 HV ) на упрочненной поверхности разработан плазменный генератор с электрической дугой прямого действия и магнитным сканированием анодного пятна по поверхности металла. В местах «привязки» анодного пятна к поверхности возникает локальное точечное подплавление поверхности металла. Закаленный слой по структуре является неоднородным, что обуславливает изменение физико-механических характеристик слоя по упрочненной поверхности. Из-за высокой твердости закаленного гребня и повышения плотности мартенсита относительно плотности основного металла создаются высокие напряжения на границе закаленного слоя и основного металла.

Локальность упрочнения по глубине и площади детали в местах ее износа достигается лазерным лучом. С помощью лазерного излучения обеспечиваются требуемые физико-механические, химические и другие свойства обрабатываемых поверхностей деталей путем легирования различными элементами без деформации самих деталей. К достоинствам лазерного упрочнения можно отнести полную автоматизацию процесса обработки контура сложных форм поверхностей деталей и плавное управление параметрами упрочняемого поверхностного слоя. Такие свойства метода обусловлены явлением высокоскоростного разогрева металла под действием лазерного луча до температуры, превышающей температуру фазовых преобразований и последующего высокоскоростного охлаждения за счет отвода тепла с поверхности в основную массу металла. Лазерное упрочнение выполняют в воздушной среде и в среде инертного газа аргона (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Принцип обработки деталей лазерной установкой

1 – лазер непрерывного действия; 2 – луч лазера; 3 – поворотное зеркало; 4 – оптическая система; 5 – участок упрочненной поверхности бандажа; 6 – рабочая камера установки; 7 – патрубок для подачи газа в камеру.

Материалом детали поглощается энергия лазерного излучения, падающего на обрабатываемую поверхность. Установкой фокусируется луч в пятно размером в длину волны лазерного излучения, поэтому энергия передается на большие расстояния с высокой плотностью потока энергии на единице площади обрабатываемой поверхности (от 10 Вт/см 2 в импульсном режиме до 10 10 Вт/см 2 в непрерывном режиме). Изготавливаются аппараты с тонким лучом (красный в гелий-неоновой среде) и с объемным лучом диаметром до 10 см (инфракрасный в среде углекислого газа).

На процесс изнашивания бандажей колесных пар влияют различные случайные факторы. Химический состав материала колесных пар, физические свойства материала, прочностные характеристики и качество изготовления влияют на износ бандажей. В процессе эксплуатации на износ влияют режимы пуска и торможения, их частота, нагрузочные режимы и продолжительность движения с нагрузкой, динамические нагрузки, насыщенность поверхностей трения абразивными частицами (подача песка и гребнесмазка), состояние и профиль пути, температурные условия эксплуатации, осадки и сезон года. При упрочнении поверхности профиля бандажа колесной пары (рис. 5.2) исходная твердость составляла 241 – 321 HV , а после упрочнения твердость поверхности профиля увеличилась до 400 ± 20 HV с глубиной обработки 0,6 – 1мм.

В ходе производственной проверки эффективности лазерного упрочнения переходных кривых гребней колесных пар выполнялись замеры проката (рис. 5.3) и толщины гребня (рис. 5.4) через 10 – 14 тыс. км. пробега вагонов в течение года [19].

Рис. 5.3. Зависимости проката гребней бандажа колесных пар от пробега до лазерного упрочнения (1) и после лазерной закалки (2)

За счет лазерной закалки переходных кривых гребней колесных пар их пробег по прокату увеличен в 1,3 раза.

За счет лазерного упрочнения поверхности переходных кривых гребней колесных пар их пробег по толщине гребня увеличен в 1,8 раза.

Если пробег колесных пар до обточки лимитируется ресурсом, то за счет лазерной обработки поверхностей гребня их пробег увеличивается до 710 тыс.км, то есть в 3,6 раза.

Лазерным упрочнением достигается высокая контактно-усталостная прочность эвольвентной поверхности и изгибная выносливость зубьев шестерен тягового редуктора подвижного состава.

Рис. 5.4. Зависимости толщины гребней бандажа колесных пар от пробега до лазерного упрочнения (1) и после лазерной закалки (2)

Закалка токами высокой частоты (ТВЧ) выполняется за счет непосредственного преобразования энергии электромагнитного поля в тепловую энергию, которой нагревают сталь до определенной температуры, выдерживают при этой температуре и быстро охлаждают в закалочной среде (масло, вода, соленые и полимерные жидкости). Температуру нагрева выбирают по диаграмме закалочных температур углеродистых сталей. Детали в основном работают в условиях трения и испытывают ударные, сжимающие, растягивающие, изгибающие нагрузки и крутящие моменты. Такие детали должны иметь высокую твердость поверхностного слоя и вязкую сердцевину, что может достигаться закалкой ТВЧ (индукционной закалкой).

За счет выделения теплоты непосредственно в металле и концентрации энергии в поверхностных слоях ТВЧ нагрев выполняется с высокой скоростью, что позволяет получать необходимую твердость поверхности и вязкую сердцевину детали для повышения сопротивления изнашиванию, усталостному разрушению при динамических нагрузках и снижению затрат энергии на упрочнение. В состав оборудования автоматизированных закалочных комплексов входят преобразователи частоты с индукторами, система управления с датчиками контроля технологического процесса, закалочные станки с устройствами фиксации заготовок с определенным усилием и система подачи, откачки закалочной жидкости.

Читайте также:  Установка петель для навесного шкафа

Преобразователи частоты с набором индукторов изготавливаются на максимальные рабочие мощности от 40 кВт до 300 кВт и на рабочие частоты 7 – 20 кГц, 10 – 50 кГц, 20 – 70 кГц. Мощность и рабочая частота выбираются в зависимости от марки стали, от глубины закалочного слоя в пределах от 0,5 мм до 10 мм и от конфигурации, массы, габаритов детали.

Автоматизированные закалочные станки определяются габаритными размерами заготовок по высоте от 0,5 м до 2,5 м, по диаметру от 10 мм до 500 мм и по массе от 500 кг до 2000 кг. Режим закалочного процесса и равномерное распределение по поверхности и глубине проникновения твердости в детали обеспечивается автоматическим регулированием величины и частоты тока в индукторе, перемещением индуктора вдоль заготовки и вращением детали с различными скоростями.

С помощью насосов подачи и откачки закалочной жидкости, электромагнитных клапанов переключения воды на эмульсию с химическим составом полимера, которая обладает охлаждающей способностью масла, обеспечивается требуемая скорость охлаждения заготовки.

В инфраструктуре железнодорожного транспорта применяется ТВЧ для восстановления и упрочнения головок и хвостовиков автосцепок тяговых хомутов, центрирующих балок и маятниковых болтов. После наплавки изношенных рабочих поверхностей автосцепок наварку упрочняют с помощью нанесения на наплавку полимерного порошка и нагрева до белого каления поверхности автосцепки токами высокой частоты. Затем автосцепка поступает на шлифовку восстановленных поверхностей. Срок службы автосцепок увеличивается с 2 – 3 лет до 5 – 6 лет с повышением в 2 – 3 раза их надежности.

Большие объемы работ можно выполнять по упрочнению ТВЧ поверхностей бандажей колесных пар и головок рельсов.

Шестерни редукторов тягового привода подвижного состава подвергаются газовой цементации и последующей закалке ТВЧ с низким отпуском. Данная технология позволила использовать для изготовления зубчатых колес низколегированные или углеродистые стали вместо высоколегированных сталей при равноценности износостойкости зубьев шестерен. Закалку ТВЧ рабочей поверхности зубьев сочетают с накаткой впадин зубчатых колес для ликвидации растягивающих напряжений в местах обрыва закаленного слоя и создания остаточных сжимающих напряжений за счет пластического упрочнения впадин. В результате обкатки галтелей предел выносливости зубчатого колеса, закаленного по рабочим поверхностям, повышается в 2 раза. Термически упрочненные зубчатые колеса подвергаются шлифованию.

Высокая контактная и изгибная усталостная прочность зубчатых колес достигается контурной закалкой с нагревом ТВЧ. У зубчатых колес, материалом которых является сталь 45ХН, после контурной закалки достигается твердость закаленного слоя 46 – 52 HRC равномерным распределением напряжения сжатия и толщины закаленного слоя. Затраты на контурную закалку ТВЧ меньше, чем при использовании двух способов упрочнения. Для снижения влияния шлифовочных операций на изгибную выносливость зубьев с контурной закалкой их фрезеруют с ножкой, поднутренной у основания. Это позволяет после контурной термической обработки шлифовать только эвольвентный профиль зуба, а переходной слой у основания зуба остается не шлифованным и не подвергается температурным деформациям.

Упрочнение «глубинным» нагревом ТВЧ заключается в прогреве зубьев шестерни насквозь, но при охлаждении формируется закаленный слой требуемой глубины. За закаленным слоем следует достаточно прочный переходной слой с пониженной твердостью. Твердость поверхности закаленных зубьев при глубинном нагреве ТВЧ получается выше HRC 60, а твердость сердцевины составляет HRC 30 – 40.

Повышение изгибной и контактной усталостной прочности зубьев шестерен достигается методами наклепа и пластического деформирования. Высокая эффективность пластического деформирования получается при упрочнении цементованных или закаленных зубьев. Цементации подвергаются детали, изготовленные из стали, содержащей не более 0,25 % углерода и из легированных сталей марки 15Х, 20 Х. Цементацию выполняют в науглероживающей среде (карбюризаторе) при температуре 900 – 950 о С без доступа воздуха. Применяются твердые (мелкий древесный уголь в смеси с углекислыми солями бария), жидкие (смесь поваренной соли, углекислого натрия, цианистого натрия и хлористого бария) и газообразные (природный и светильный газ, содержащий углерод) карбюризаторы. Средняя скорость науглероживания в твердом карбюризаторе составляет 0,1 – 0,8 мм и для получения цементированного слоя глубиной 0,5 – 2,0 мм затрачивается 12 – 15 часов. Для цементации в жидком карбюризаторе деталь погружают в ванну с раствором при температуре 840 – 860 о С. Цементированный слой получается глубиной 0,2 – 0,6 мм за 0,5 – 2,5 часа, который после термической обработки достигает 40 – 60 HRC . Цементацию газообразным карбюризатором выполняют подачей газа в шахтные и муфельные печи при температуре 900 – 950 о С и за 6 – 7 часов науглероженный слой в деталях составляет 1 мм.

Лучшие результаты достигаются методом пластического деформирования обкаткой роликом. Оптимальным давлением ролика повышается контактно-усталостная прочность и изгибная выносливость зубьев шестерни за счет увеличения твердости и улучшения физико-механических свойств поверхности в сочетании с ее высокой чистотой обработки.

Научно-инновационным центром ультразвуковой технологии Северо-западного государственного заочного технического университета разработана механическая технология резки с ультразвуковой упрочняющей финишной обработкой металла [23]. Для упрочнения, получения чистоты обработанной поверхности 7 – 8 класса ( R Z = 0,8 – 0,4 мкм) с уменьшением в 5 – 8 раз сил резания режущей кромке резца придают ультразвуковые колебания с частотой 22 – 44 кГц амплитудой 5 – 15 мкм.

источник