Увеличение долговечности тяжелонагруженных деталей транспортных машин методом конвекционно-индукционной химико-термической обработки

Необходимость повышения качества промышленной продукции связана с ростом конкуренции на рынке сбыта, уменьшением сырьевых запасов, ужесточением требований к экологической безопасности продукции и к уменьшению влияния человеческого фактора в производстве,  что ведет к значительному удорожанию продукции. Кроме того,  ухудшение условий эксплуатации, связанное, прежде всего, с увеличением эксплуатационных скоростей работы деталей машиностроения,  агрессивности среды, повышением удельных нагрузок, обуславливающих повышенные трение и износ, уменьшает ресурс деталей и предъявляет требования к совершенствованию способов и методов их термической обработки.

Одним из таких методов является конвекционно-индукционная технология химико-термической обработки  стальных деталей, основанная на системе активации насыщения (СИАН) в индукционных соляных печах-ваннах с углеграфитовой футеровкой (ИВС), которая позволяет существенно повысить ресурс деталей, конкурентоспособность продукции, значительно сэкономить материальные, трудовые и энергетические ресурсы. Такая технология называется сианированием. Свойства сианированных покрытий достаточны, чтобы сианированные изделия могли успешно работать в самых сложных условиях эксплуатации: при сухом трении скольжения на воздухе и вакууме, при низких и высоких температурах, в условиях абразивного, гидроабразивного и коррозионно-абразивного износа, фреттинг-коррозии, в контакте с расплавленными металлами и растворами кислот, солей и щелочей и др. При выборе метода нагрева, способа насыщения, состава ванны, режима сианирования и модели печи  целесообразно исходить из требуемой экономической эффективности. При этом индивидуальный выбор способа сианирования, а также марки стали детали, подлежащей сианированию, позволяет в большей степени повысить стойкость упрочняемых деталей и эффективность выбранного процесса.

Индукционные соляные ванны  по сравнению с традиционными технологиями термической обработки в электродных и тигельных ваннах позволяют [1,2,4,6]:

·                         повысить скорость нагрева на 15-20 %;

·                         улучшить качество детали;

·                         повысить производительность труда;

·                         упрочнить изделия термообработкой без последующей шлифовки;

·                         уменьшить количество печей, соляных ванн, производственных площадей;

·                         экономить до 1500 кВт/ч в смену электроэнергии;

·                         значительно снизить эксплуатационные расходы;

·                         осуществлять запуск в работу ИВС за 10-60 минут.

Конвекционно-индукционные технологии химико-термической обработки в ИВС по сравнению с традиционными технологиями позволяют [1,2,3,6]:

·                         повысить производительность труда в 2-10 раз;

·                         значительно сократить  потребление электроэнергии;

·                         получить упрочненные слои, структурный и фазовый состав которых обеспечивает изделиям новый комплекс служебных свойств;

·                         по сравнению с электролизным борированием в тигельных соляных ваннах повысить производительность труда на 30 %;

·                         сократить расход электроэнергии за счет ликвидации катодной защиты тигля;

·                         получить за 1,5 ч высоко износостойкий упрочненный слой толщиной 0,1 мм на стали 45 с повышением содержания углерода в подслое, обеспечивающим высокую твердость подслоя после закалки и улучшение служебных свойств изделий.

Эффективность приведенных технологий подтверждены результатами эксплуатации изделий в производственных условиях.

Так сравнительно давно активное насыщение поверхности деталей  легирующими элементами используется для увеличения долговечности пальцев и втулок движителей гусеничных машин. Испытания партии пальцев (600 шт.) траков гусениц трактора типа ДТ-54 (А) из стали 50Г, сианированных на толщину слоя 0,12-0,17 мм и закаленных ТВЧ, в сравнении с серийными пальцами показали: износ шарниров гусеницы уменьшился в 6 раз по увеличению шага, в 1,5 раза по износу проушин и в 7 раз по износу пальцев [2,3].

По данным натурных испытаний на тракторе ДТ-54, сианирование пальца гусеницы увеличивает срок их службы на высокоабразивных почвах на 70-80% по сравнению с серийными. Одновременно значительно снижается износ проушин и цевок звеньев. Пальцы и втулки работали в стандартных траках из стали 110Г13Л. Производственные испытания показали, что сианирование уменьшает износ пальца и втулок по сравнению со стандартными в 11 и 17 раз. Применение втулок из сталей Х12Ф1, ХВ5 и У10 снижает износ шарнира значительно в меньшей мере (от 1,5 до 2,3 раза), чем использование сианированных втулок. Износ самих втулок из сталей Х12Ф1, ХВ5 и У10 уменьшается по сравнению с серийными до 2-6 раз.

Сианирование деталей транспортных машин главным образом применяется с целью защиты их от изнашивания, преимущественно абразивного. Из литературных источников известно [2,3,4] , что упрочнение крестовин кардана сельскохозяйственных машин из стали 20Х по специальной технологии карбонитросианированием в расплавах солей в высокочастотной индукционной соляной печи-ванне типа «Вулкан» обеспечило по данным лабораторных испытаний завода «Аксайкардандеталь» на специальном стенде  повышение стойкости крестовин кардана в 7-10 раз по сравнению с традиционной заводской газовой цементацией. Кроме того,   упрочнение сианированием и «светлая закалка» под окончательную оцинковку винтов хомута крепления шланга   АО «АвтоВАЗ» после высадки головки и накатки резьбы позволило использовать при деформации для этих целей мягкую сталь 10. [2,3,4]

Приведенные технологии позволяют обрабатывать и получать новые служебные свойства не только деталей транспортных машин, но и деталей оборудования и инструмента. используемых в автотранспортном и машиностроительном производствах. Так в приборостроительной, радиотехнической, электротехничекской, машиностроительной и других отраслях промышленности от 30 до 80 % всех деталей получают методом холодной штамповки. Основная часть расходов на изготовление штампованных деталей приходится на долю штампового инструмента. Из анализа полученных результатов следует, что сианирование позволяет повысить от 2,5 до 15 раз практически все формообразующие штампы холодной штамповки: гибочные, формовочные, калибровочные, вытяжные и др. Кроме того, стойкость горячештампового инструмента, на долю которого приходится от 10 до 30 % стоимости всех штампуемых изделий, при сианировнии повышается минимум в 1,5 раза.

Сианирование позволяет улучшать физико-механические  свойства также инструмента и деталей, работающих в условиях абразивного и гидроабразивного изнашивания, режущего инструмента, деталей прессформ для литья цветных сплавов под давлением и др. [2,3,5,6,8].

Одним из положительных решений данной проблематики являются результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по увеличению долговечности тянущих роликов правильно-отрезных автоматов и  электродообмазочных прессов на одном из промышленных предприятий города Каменск-Шахтинский Ростовской области [7].

Данные изделия используются для протягивания электродной проволоки из бухт  через правильно-отрезные барабаны, а также электродных стержней через обмазочные головки электродообмазочных прессов при производстве электродов. Для осуществления данных операций тянущие ролики изготавливаются с зубчиками по окружности, форма и размеры которых зависят от  диаметра протягиваемой проволоки и длины стержней. Среднее тяговое усилие на зубьях роликов составляет F=545 Н, среднеквадратическое отклонение G=164,5, коэффициент вариации  V=0,302. Сравнительно большой коэффициент вариации  V объясняется динамической нагрузкой, испытываемой роликами, в результате остановки проволоки для ее рубки на стержни с производительностью примерно 10 шт/сек. Ролики изготавливаются из стали 45, на них нарезаются зубья, далее они подвергаются закалке в установке ТВЧ до температуры выше критической точки Ас₃ на 30-50⁰ С с последующим охлаждением в воде при температуре 18⁰С. Технология улучшения после закалки не используется. Технология изготовления роликов, а также действующие нагрузки обусловили средний ресурс одного ролика в 1 рабочую смену.

Совместная научно-исследовательская работа ученых  Каменского института (филиала) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института), Ростовской государственной академии сельскохозяйственного машиностроения позволила определить оптимальные параметры диффузионного насыщения поверхностного слоя тянущих роликов различными элементами в камерных электропечах 4 модели, а также с использованием установки ТВЧ ЛЗ-13, резко увеличившая ресурс роликов[7].

В таблице 1 приведены результаты проверки работоспособности тянущих роликов, изготовленных по новой технологии и установленных в подающий механизм электродообмазочного пресса.

Таблица 1.

Результаты проверки работоспособности тянущих роликов, изготовленных по новой технологии.

Из таблицы 1 видно, что в результате оптимизации параметров химико-термической обработки тянущих роликов для стержней электродов с диаметром  Ǿ=3 мм и длиной L=350 мм (см. пункт 3 таблицы 1) увеличение ресурса составило с 2 смен до 51, т.е. более чем в 25 раз.

Вышесказанное позволяет сделать вывод об актуальности и эффективности производственной эксплуатации новых моделей индукционных соляных печей-ванн различного назначения, обеспечивающих высококачественную конвекционно-индукционную термическую обработку различных изделий.

Однако, разработка и внедрение в производство таких печей-ванн затруднены, поскольку в литературе в достаточном объеме нет необходимых данных. Мало изучены особенности взаимодействия в высокочастотном электромагнитном поле расплава солей с графитовыми нагревателями, диффузии углерода в расплав из стенок графитового тигля, обезуглероживающей и науглероживающей активности таких расплавов солей, интенсивности разъедания и коррозии поверхности нагреваемых изделий и других процессов. Недостаточно данных о спекании порошковой футеровки вследствие взаимодействия расплава солей с углеграфитовой и керамической футеровкой индукционных соляных печей-ванн, об интенсивности и распределении электромагнитного высокочастотного поля в таких печах-ваннах, кинетике изменений в стальных изделиях при конвекционно-индукционном нагреве. В литературе отсутствуют точные сведения, необходимые для расчета и конструирования новых моделей индукционных соляных печей-ванн  и соответствующих технологий.

Высокая эффективность эксплуатации новых моделей индукционных соляных печей-ванн различного назначения с одной стороны, а также недостаточность исследований по изучению особенностей функционирования таких печей-ванн с другой стороны,  обуславливают  актуальность научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в этом направлении.

Статья выполнена под руководством Симоненко Александр Николаевич, к.т.н., доцента РГАСХМ

Литература:

1.         Симоненко А.Н. Конвекционно-индукционная термическая обработка стальных изделий в индукционных соляных печах-ваннах «Вулкан» / ГОУ Рост. гос. акад. с.-х. машиностроения, Ростов н/Д, 2008. 136.: ил.

2.         Смольников Е.А. Термическая и химико-термическая обработка инструментов в соляных ваннах. – М.: Машиностроение, 1989. – 311 с.

3.         Симоненко А.Н., Зарубин Н.А. Применение индукционных соляных ванн при изготовлении резьбовых мерителей, инструмента и деталей штампов // Технология производства, научная организация труда и управления. – М.: НИИМАШ.-1975.-№ 1.-С. 16-18.

4.         Симоненко А.Н., Порошин В.В.,Ж Тимофеев А.Ф. Повышение качества инструмента при конвекционно-индукционной термической обработке в расплавах солей // Повышение надежности и долговечности материалов и деталей машин на основе новых методов термической и химико0термической обработки: Тез. докл. Всесоюз. нач.-техн. конф. -Хмельницкий : НИО СССР , 1988.-С.92-93.

5.         Симоненко А.Н., Тимофеев А.Ф., Степаненко А.В. Повышение стойкости технологической оснастки методом жидкостного борирования в индукционных соляных ваннах// Деп. рукоп. в ЦНИИТЭИтракторсельхозмаш.-М.:ВИНИТИ.-1981.-№ 12.-С.114.

6.         Калинин В.П. Прогрессивная технология термической обработки – важнейший резерв снижения себестоимости // Металловедение и термическая обработка металлов.- 1985. - № 3.- С.2-7.

7.         Рязанов А.В., Дубовик Б.В. Термодиффузионное насыщение поверхностей деталей машиностроения легирующими элементами, как резерв снижения себестоимости производства. // Инновационные технологии и процессы производства в машиностроении: Межвуз. сб. науч. труд. –Ростов н/Д:РГАСХМ, 2008.-С.

8.         Симоненко А.Н., Тимофеев А.Ф., Степаненко А.В. Особенности «светлой» закалки при нагреве изделий в индукционных соляных ваннах. – М.: ВИНИТИ. Деп. рукоп. 1980. - №8. – С.12.