Меню Рубрики

Установка плазменной закалки гребней

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.

Читайте также:  Установка програм в debian

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.

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.

Читайте также:  Установка зажигания газ 4216

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

источник

Установка плазменной закалки гребней

РОССИЯ:
+7(499)704-41-27
+7(4722)40-23-37
info@energo-gen.com
308001, Россия, г.Белгород,
ул.Сумская, 8

УКРАИНА:
+38(067)575-41-27
+38(057)728-26-10
ukr@energo-gen.com
61010, Украина, г.Харьков,
Набережная Нетеченская, 14, к.21

Новые разработки установок плазменной закалки УПЗУ, УПЗР

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.

Читайте также:  Установка развальных болтов на субару

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

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.

источник