Admin

Нанотехнологии плазменной закалки деталей железнодорожной техники

В.А. КОРОТКОВ, д-р техн. наук. Нижнетагильский филиал Уральского федерального университета
Э.Ж. АГАФОНОВ, ООО «Композит», г. Нижний Тагил

Разработка ручных установок для поверхностной закалки плазменной дугой дала возможность упрочнять то, что ранее не упрочнялось, и решать задачи по увеличению сроков эксплуатации различных деталей. В несколько раз возрастают срок службы, износостойкость шестерней, деталей тележек подвижного состава, рельсов, колес для рельсового пути.

Применять плазменную дугу для поверхностной закалки начали в 80-х годах XX века [1], но серийное производство закалочных установок началось только с 2002 г. В данной статье технологии и свойства пламенной закалки будем рассматривать, в основном, на примере использования установки УДГЗ-200, получившей наибольшее распространение в нашей стране и за ее пределами.
Для закалки сварщик перемещает дугу по поверхности со скоростью, обеспечивающей «вспотевание» (состояние, предшествующее плавлению) поверхности под дугой. Этот процесс контролировать не труднее, чем плавление при сварке, но он обеспечивает необходимый для закалки нагрев без оплавления поверхности. Кроме того, появляется возможность применять плазменную закалку в качестве финишной операции и направлять детали с исходной шероховатостью Rz4-40 в работу без шлифовки.

В результате плазменная закалка упрочняет поверхность на глубину 0,5... 1,5 мм и не нуждается в сопутствующем охлаждении [2], что упрощает организацию работ, допускает ее выполнение по месту механообра

ботки или сборки деталей, а не только в специализированных термических цехах.

Рассмотрим особенности применения нанотехнологии плазменной закалки. Так, на образце из стали 45 закалили одну за другой, с частичным перекрытием, две полосы. Значения микротвердости и поперечный шлиф образца представлены на рис. 1. Из него видно, что от нагрева плазменной дугой микротвердость увеличилась более чем вдвое: с HV ~ 300 до HV 700... 800. В месте перекрытия полос (двойной закалки) имеется возрастание микротвердости до HV 800... 900, а в зоне термического влияния второй полосы на первую — снижение микротвердости до HV 600... 700 вследствие отпуска.

Упрочнение стали 45 плазменной закалкой делает ее примерно в 70 раз более износостойкой по сравнению с улучшенной легированной сталью 40Х [3]. Аналогичный результат получен при испытании в условиях сухого трения дисков из сталей 45 и ЗОХГСА о колодку из нормализованной стали 45. Из рис. 2 видно, что плазменная закалка по сравнению с нормализованным состоянием снизила износ углеродистой стали 45 примерно в 10 раз, а легированной стали ЗОХГСА — в 40 раз. Это не только увеличивает долговечность деталей, но также позволяет снизить расходы на покупку заготовок в результате замены дорогостоящих легированных (конструкционных) сталей экономичными углеродистыми сталями.

По мере удаления от поверхности слой плазменной закалки постепенно снижает твердость. Эта постепенность исключает его склонность к отколам, которая имеет место у цементированного слоя и слоя закалки токами высокой частоты (ТВЧ). Одновременно несколько снижается износостойкость, которая определялась в условиях сухого трения закаленным шариком по стандартной методике для прибора NANOVEATRB 50N (рис. 3). Износ измерялся по ЗО-сканам, полученным на конфокальном сканирующем лазерном микроскопе Olympus LEXT OLS4000 Ver. 1.4.1 при увеличении в 400 раз.

Исследования, выполненные методом атомно-силовой микроскопии в контактном режиме (к-АСМ) на микроскопе NTEGRA Therma (ЗАО «НТ-МДТ», г. Зеленоград) показали, что поверхность марганцовистой стали 20ГЛ, упрочненная плазменной закалкой, имеет нано-фрагментацию (рис. 4) со средним размером фрагментов 90 нм, которой нет на незакаленном металле.

Плазменная закалка сокращает продолжительность технологического процесса изготовления деталей. Из таблицы видно, что применение плазменной закалки по сравнению с улучшением (объемная закалка с отпуском) сокращает число технологических переходов от восьми до трех, т.е. более чем вдвое.

Плазменная закалка не только увеличивает твердость (сопротивление износу), но и оказывает благотворное влияние на коррозионную стойкость. В условиях электрохимического травления 20%-ным раствором серной кислоты коррозионностойкой стали 20X13 глубина травления закаленного металла в 1,86 раза меньше, чем незакаленного [4].

Нанотехнологии плазменной закалки все шире применяются в самых разных сферах. Рассмотрим наиболее интересные примеры из практики в области железнодорожной техники.

На Украине много компаний специализируются на плазменной закалке деталей (смотрите каталог компаний), найти подходящую не составит труда.

На Экспериментальном кольце АО «ВНИИЖТ» проведены исследования износа в узле пятник-подпятник тележек модели 18-100 грузовых полувагонов. В заключении специалистов АО «ВНИИЖТ» сказано, что износ буртов подпятникового места с плазменной закалкой на полувагонах при пробеге, соответствующем общесетевому 2109 тыс. км, составил 5,5... 7,6 мм, а после пробега около 500 тыс. км — 0,1... 1,0 мм в поперечном и продольном направлениях соответственно. В обоих случаях интенсивность износа составляла примерно 0,02... 0,2 мм на 100 тыс. км пробега, что существенно ниже нормативной.


У буксовых проемов с плазменной закалкой после пробега 500 тыс. км износа не было, на них обнаружены только незначительные потертости [5].

Плазменная закалка подпятникового места и буксового проема позволяет не только увеличить (не менее чем вдвое) межремонтный пробег, но и убрать лишние элементы (диск из подпятникового места и скобу из буксового проема), снижающие надежность конструкции. Это также дает увеличение массивности и, как следствие, уменьшение литейных дефектов в надрессорной балке и боковой раме. Увеличение рабочего сечения за счет устранения накладной «скобы» повышает сопротивление изломам по буксовому проему.

Размеры закалочной горелки установки УДГЗ-200 позволяют закаливать зубья шестерен с модулем зуба, равным пяти и более. Их закалка плазменной дугой имеет преимущества перед закалкой ТВЧ. Она производится по боковой поверхности зуба (рис. 5), когда впадины между зубьями не закаливаются, так как туда нет доступа дуге.

При закалке ТВЧ это является недостатком, вызывающим поломки зубьев при эксплуатации. Но плазменная закалка боковых поверхностей к поломкам не приводит, ибо производится последовательно, тогда как закалка ТВЧ — одновременно по всему профилю с наведением высоких остаточных напряжений. Кроме того, при закалке зубьев ТВЧ нельзя допускать прокалки зубьев на всю толщину, поэтому применяют сталь пониженной прокаливаемое™. В случаях же применения конструкционных сталей происходят изломы зубьев (например, на приводных шестернях грузовых моторных вагонов Качканарского ГОКа).

Исключить поломки удалось благодаря применению плазменной закалки, что привело к двукратному сокращению необходимости замены шестерней. По сравнению с нормализованными или улучшенными шестерни с плазменной закалкой втрое увеличивают наработку [6].

В другом эксперименте упрочнению плазменной закалкой подверглись опорная и боковые поверхности головки рельсов тележки мульдамагнитного крана грузоподъемностью Ют. Их срок службы до замены составлял около семи месяцев. Через три месяца испытаний обнаружилось, что разница в износе закаленных и незакаленных рельсов составляет 5 мм. После 15 мес. эксплуатации, т.е. после двойного срока службы, закаленные рельсы были сняты, но не из-за износа, а из-за усталостного отрыва головки рельса от подошвы.

Еще пример. При передаче электросварных труб большого диаметра 0530... 820 мм с участка сварки на участок отделки используются скоростные передаточные тележки, передвигающиеся по рельсам типа А55, поставляемым из Германии. Их срок службы составлял 3 — 4 мес., а на наиболее нагруженных участках ускорения и торможения — 0,5 — 1,5 мес. После того как произвели плазменную закалку рельсов (увеличение твердости со 160 до 430 НВ) и тележечных колес, срок службы рельсов возрос до 4 — 5 лет, т.е. в 12 — 20 раз [7].

Важным резервом значительного увеличения ресурса железнодорожных колес в местах контакта колесо-рельс является наплавка. Проводилась плазменная закалка слоя наплавки, выполненного широко распространенной наплавочной проволокой ЗОХГСА [8]. Установлено, что увеличение микротвердости в закаленном слое толщиной около 0,6 мм произошло от 330 до 620 HV. По границам закаленных дорожек происходит отпускное снижение твердости до уровня, получаемого при проведении высокого отпуска.

Испытания на трение без смазки по схеме диск-колодка показали, что в нормализованном состоянии (НВ 240) и состоянии объемной закалки с отпуском (НВ 400) сталь ЗОХГСА существенно уступает в износостойкости (в 56 и 50 раз соответственно) своему состоянию с плазменной закалкой (НВ 500).

В Высокогорском горно-обогатительном комбинате восстанавливают колесные пары на дрезине ДГКУ-5 наплавкой электродами ОЗС-4. Из-за быстрого износа наплавку повторяют каждые 6 мес. Опытные колесные пары, восстановленные наплавкой проволокой ЗОХГСА с последующей плазменной закалкой (рис. 6), отработали 1,5 года, т.е. в 3 раза дольше, не получив заметного износа. Наблюдения за испытаниями продолжаются.

Плазменная закалка оказывает благоприятное влияние не только на закаленные поверхности, но и одновременно уменьшает износ сопрягаемых деталей. Так, плазменная закалка ручьев канатных шкивов (рис. 7) не только увеличила их наработку в 3 раза, но и на 20 % уменьшила расход канатов.

В заключение можно отметить, что разработанная установка плазменной закалки УДГЗ-200 является первой и пока единственной специализированной установкой для поверхностной закалки, прошедшей сертификацию и выпускающейся серийно.

Она позволяет упрочнять, что ранее было недоступно. При этом закалка может при

меняться не только в специализированных термических, но также и в механических цехах и участках.

По износостойкости упрочненных поверхностей плазменная закалка не уступает, но обычно превосходит объемную закалку с отпуском. Закаленные детали многократно увеличивают срок службы.


Внедрение установки в производство не требует значительных капитальных вложений, а ее освоение доступно сварщикам 2 — 3-го разрядов.

Авторы статьи надеются, что нанотехнологии плазменной закалки, прошедшие серьезные испытания на промышленном железнодорожном транспорте, найдут широкое применение в области локомотивного и вагонного хозяйств магистральных железных дорог России.

Наша справка

Плазменная закалка — современный вид технологий, получающий все более активное распространение на железнодорожном транспорте в XXI веке.

Закалка — нагрев стали или другого аналогичного конструкционного материала с достаточно быстрым охлаждением; при закалке, как правило, повышается ряд показателей, таких как твердость, и снижается ряд других показателей, таких как вязкость и пластичность.

Отпуск — процесс, обратный закалке.

Отпускное снижение твердости — снижение твердости материала при отпуске, в том числе нежелательное, например, случайно или побочно произошедшее из-за перегрева. Очень частым случаем на практике является порча техники при нежелательном отпуске деталей из-за такой ошибки, как перегрев.

Наплавка — технологический процесс нанесения слоя материала (например, стали) на аналогичный материал; наплавку часто используют для восстановления формы изношенной, сколотой или выкрашенной детали.

Твердость НВ — твердость по Бринеллю, измеренная при испытании шариком.
Микротвердость HV — твердость по Виккерсу, измеренная при испытании конической пирамидкой; для мягких материалов значения практически равны НВ (например, 100 НВ ~ 99 HV), а для твердых может быть разница с НВ до полутора раз (например, 712 НВ ~ 1016 HV).

Шероховатость Ra, Rz — совокупность микронеровностей поверхности. Измеряется в микрометрах (мкм). Ra = (0,2 ч-0,25)Rz.

Цементация — поверхностное диффузионное насыщение стали углеродом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости.

Сталь — сплав железа с содержанием углерода до 2,14 % (при большем содержании материал называют чугуном), в легированную сталь при варке также добавляются другие элементы. Например, в стали ЗОХГСА 0,3 % углерода, также есть хром, марганец, кремний по 1 % и другие элементы.

Библиография

1. Коротков В.А. Исследования плазменной закалки в Нижнетагильском филиале Уральского федерального университета. II Известия вузов: Машиностроение, 2015. № 10. С. 64 — 70.

2. Исследование влияния скорости охлаждения на структуру и механические свойства при плазменной закалке. / Коротков В.А., Ананьев С.П., Шекуров А.В. // Сварочное производство, 2013. № 2. С. 26 — 29.

3. Коротков В.А. Влияние термической обработки на износостойкость сталей 45 и 40Х. II Вестник машиностроения, 2016. №8. С. 48 —51.

4. Коротков В.А. Влияние плазменной закалки на коррозионную стойкость хромистой стали. И Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2017. № 9. С. 45 — 46.

5. Плазменная закалка в вагонном производстве. / Злоказов М.В., Коротков В.А. // Подвижной состав XXI века: материалы X международной науч.-техн. конф. — СПБ: ФГБУ ВПО ПГУПС,2015. — С. 33 — 36.

6. Коротков В.А. Ручной плазменной закалке — 15 лет. // Бюллетень: Черная металлургия, 2016. № 10. С. 62 — 68.

7. Повышение срока службы рельсов плазменной закалкой /В.А. Коротков, С.П. Ананьев, В.В. Козлов И Ремонт, восстановление, модернизация, 2006. № 12. С. 15 —19.

8. Коротков В.А. Плазменная закалка слоя наплавки ЗОХГСА. И Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2015. № 5. С.19 — 21.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК

Если у вас возникли вопросы по работе сайте - пишите на почту admin@scbist.com