Плазменная закалка металла. Современные проблемы науки и образования. Материал и методы исследования
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.
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, чем скорость роста центров. 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 по технологии НПП "ТОПАС" осуществляют высокоэн-тальпийной 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.
Научно-производственное предприятие "ТОПАС" разработало новые технологию и оборудование для высокоскоростной плазменной поверхностной закалки.
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.
Техническая характеристика:
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
Технология поверхностной закалки НПП "ТОПАС" характеризуется новыми возможностями повышения контактно-усталостной прочности металла и, как следствие, увеличением надежности тяжелонагруженных деталей. Она основана на использовании многокомпонентной химически активной высокотемпературной (6000-7000 К) струи продуктов сгорания углеводородного газа (метана, пропан-бутана) с воздухом. Такая высокотемпературная среда характеризуется комбинацией уникальных транспортных и теплофизических свойств. Она более энергоемка, чем любые двухатомные газы при тех же условиях. Теплоотдача от высокотемпературных продуктов сгорания к нагреваемому изделию повышается как за счет высокого температурного уровня, так и благодаря изменению транспортных свойств диссоциированных продуктов сгорания (вследствие их последующей рекомбинации). С технологической точки зрения - это легкость регулирования окислительно-восстановительного потенциала, способность эффективно прогревать материалы, управлять параметрами стабилизированного электродугового разряда и др.
Многократное (5-10 раз) повышение плотности теплового потока может быть достигнуто при закалке с малых дистанций в пределах начального участка струи за счет образования несамостоятельного диффузного разряда между соплом-анодом электродуговой горелки и деталью от отдельного маломощного источника электропитания. Формирование такого разряда в высокотемпературных продуктах сгорания облегчается по сравнению с воздухом и инертными газами. Происходит это благодаря качественному изменению характера приэлектродных процессов на аноде горелки и повышению разности потенциала высокотемпературной струи по отношению к аноду в продуктах сгорания. Доступность и невысокая стоимость используемых рабочих газов делают особенно предпочтительным их применение с увеличением мощности установок, соответственно производительности процессов, когда рабочие параметры смещаются в область повышенных расходов газа.
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 НПП "ТОПАС" 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 феррито-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 двухкратное увеличение стойкости. Учитывая высокую производительность закалки (2 см/с), легкость полной автоматизации процесса, простоту обслуживания оборудования, низкие текущие затраты и высокую эффективность, лазменное 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.
PLASMA HARDENING HIGH-CHROMIUM CAST IRON
Kirill Vaskin
PhD, assistant professor of Togliatti State University,
Russia , Togliatti
Artur Blinov
undergraduate of Togliatti State University,
Russia, Togliatti
Andrey Blinov
head of "Technological Department of die tooling " PJSC AVTOVAZ,
Russia, Togliatti
АННОТАЦИЯ
В работе было исследовано влияние плазменной закалки на физико-механические свойства чугуна ХФ. Были определены значения микротвердости и глубины упрочненного слоя. В результате проведенных исследований было получено, что использование плазменного поверхностного термоупрочнения позволило повысить микротвердость поверхностного слоя образца более чем в 2 раза.
ABSTRACT
Effect of plasma hardening physical and mechanical properties of high-chromium cast iron in article are investigated. Values of hardness and depth of the hardened layer are determined. The use of highly concentrated energy sources makes it possible to increase the hardness of the surface layer more 2 times, as a result of our research.
Ключевые слова: плазменная закалка; термоупрочнение.
Keywords: plasma hardening; thermal hardening.
Кратковременное действие температурного фактора при закалке приводит к диспергированию структуры. Это характерно при плазменной и лазерной закалке . Однако, при лазерной закалке пятно контакта лазерного луча и обрабатываемого материала меньше пятна контакта плазменной дуги с обрабатываемой поверхностью. Поэтому при больших областях закалки более производительным является метод плазменной закалки. Таким образом, при закалке штамповой оснастки предпочтительным является способ плазменного термоупрочнения.
Исследования по изучению влияния плазменной закалки проводили на чугуне ХФ, который применяют при изготовлении пуансонов и матриц формообразующих штампов холодной штамповки на ПАО «АВТОВАЗ» .
Плазменная закалка образца (рис. 1) была проведена на установке УГДЗ-200 .
Рисунок 1. Геометрические размеры образца для плазменной закалки
Из-за того что образец имел небольшие размеры, а его способность к отведению тепла не столь велика, то некоторые участки упрочняемой поверхности оплавлялись. Чтобы устранить возникшие неровности, образец шлифовали, при этом глубина резания составила порядка 0,3…0,4 мм, а шероховатость Ra0,8. После этого на электроэрозионном станке был вырезан фрагмент поверхности для того чтобы провести дальнейшие металлографические исследования.
Замеры микротвердости были проведены с помощью микротвердомера Micromet-II, структура образца изучалась на микроскопе AxioObserver.
Плазменная закалка образцов из чугуна ХФ
Внешний вид упрочненного плазменной закалкой образца из чугуна ХФ приведен на рисунке 2. На данном образце была проведена операция шлифования упрочненной цилиндрической поверхности со съемом материала толщиной 0,4 мм, затем электроэрозионным способом вырезан фрагмент поверхности для проведения металлографических исследований.
Основные параметры процесса упрочнения:
- рабочий ток дуги 150А;
- рабочее давление аргона 0,3 МПа;
- ширина закаленной зоны 10-12 мм;
- длина дуги - 20 мм;
- скорость прохода по поверхности - 0,5 м/мин.
Рисунок 2. Образец из чугуна ХФ после проведения плазменной закалки, шлифования, вырезки фрагмента упрочненной поверхности
Микроструктура упрочненной зоны образца из чугуна ХФ приведена на рисунке 3(а). Распределение микроструктуры от поверхности внутрь материала следующее: ледебурит, мартенсит, остаточный аустенит, троостомартенсит, цементит, графит пластинчатый по всему сечению упрочненного слоя.
а б
Рисунок 3. Микроструктура упрочненного слоя образца из чугуна ХФ. (а) - структура упрочненного слоя, (б) - структура сердцевины.
Микроструктура сердцевины образца из чугуна ХФ представлена на рисунке 3б: перлит пластинчатый, цементит, графит пластинчатый.
Параметры упрочненного методом плазменной закалки слоя чугуна ХФ:
глубина упрочненного слоя – 0,8…1,0 мм;
твердость упрочненного слоя – HRC 55…58;
структура упрочненного слоя – ледебурит, мартенсит, остаточный аустенит, троостомартенсит, цементит, графит пластинчатый;
твердость сердцевины – HRC 26;
структура сердцевины – перлит пластинчатый, цементит, графит пластинчатый.
Список литературы:
- Васькин К.Я., Блинов А.А., Блинов А.В. Плазменная закалка стали Х12МФ. Технические науки - от теории к практике: сб. ст. по матер. LXVIII междунар. науч.-практ. конф. № 3(63). – Новосибирск: СибАК, 2017. – С. 58-62.
- Зубанов И.Ю., Блинов А.В. Новая технология изготовления штампов ОАО «ВАЗ». Материалы региональной научной конференции. Т. 2. 2014 - С. 122.
- Коротков В.А. Опыт применения установки плазменной закалки УДГЗ-200 на предприятиях уральского региона. Автоматическая сварка. 2012. №5 (709). - С. 55-58.
- Коротков В.А. Свойства и промышленное применение ручной плазменной закалки. Металловедение и термическая обработка металлов. 2016. №8 (734). - С. 3-9.
- Огин П.А., Васькин К.Я. Повышение ресурса мелкоразмерного инструмента за счет модификации изнашиваемых поверхностей при помощи оптоволоконного лазера. IV Резниковские чтения: труды междунар. науч.-техн. конф. Ч. 1. Тольятти: ТГУ, 2015. - С. 143–145.
- Огин П.А., Мерсон Д.Л., Кондрашина Л.А., Васькин К.Я. Влияние режимов лазерной модификации на структуру, свойства и износостойкость мелкоразмерного инструмента из быстрорежущей стали Р6М5. Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2015. № 4 (34). - С. 83-88.
- Xiang Y., Yu D., Li Q., Peng H., Cao X., Yao J. Effects of thermal plasma jet heat flux characteristics on surface hardening. Journal of Materials. 2015. P. 238-246.
Предлагаем внедрить прогрессивный метод поверхностной плазменной закалки, повышающий стойкость, долговечность инструмента, прокатных валков и деталей машин различного назначения
1. Сущность плазменной закалки
Низкотемпературная плазма (5000...50000 0 К) относится к концентрированным источникам энергии и находит все большее применение для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента из различных сплавов.
Сущность плазменной закалки заключается в локальном нагреве участка поверхности со скоростями 10 3 ...10 4 0 С/с до высоких температур с последующим охлаждением со сверхкритической скоростью за счет теплоотвода во внутренние слои изделия. При этом формируется специфическая мелкодисперсная структура с высокими эксплуатационными характеристиками.
2. Преимущества плазменной закалки
При закалке концентрированными источниками энергии в силу специфичности обработки (высокие скорости нагрева и охлаждения) удается получить такую структуру и свойства поверхностного слоя, которые недостижимы при традиционных способах термической обработки.
Основные преимущества плазменной закалки:
Локальность нагрева, упрочняется только поверхностный слой, а сердцевина остается вязкой, что обусловливает повышенное сопротивление износу и усталости;
Высокая твердость и износостойкость поверхности;
Отсутствие или минимальные деформации упрочняемых деталей, что позволяет повысить точность их изготовления, снизить трудоемкость механической обработки и затраты на изготовление деталей;
Высокая производительность - 2 - 9 м 2 /час;
При закалке без оплавления поверхности не требуется последующая механическая обработка (шлифовка), т.е. плазменную закалку можно использовать как финишную операцию;
Наличие в поверхностном слое сжимающих напряжений и большого количества остаточного аустенита (стали, чугуны) повышает сопротивляемость зарождению и распространению трещин;
Закалка производится в большинстве случаев без принудительного охлаждения, т.е. не требуются охлаждающие среды и приспособления.
Как и другие концентрированные источники энергии (лазер, электронный луч), плазма имеет некоторые новые возможности:
Возможность замены дефицитных высоколегированных сталей на низколегированные, упрочненные плазменной закалкой;
Возможность замены износостойких сталей на низкоуглеродистые с наплавленным рабочим слоем, упрочненным плазменной закалкой;
Возможность закалки локальных участков поверхности (кромки дисковых ножей, вырубных и гибочных штампов, зубьев пил, шин электро- и бензопил, места под манжеты, подшипники, фрагменты гравюр штампов и калибров прокатных валков и т.д.);
Возможность автоматизации процесса и включение закалочных установок в состав гибких производственных систем, автоматических линий.
По сравнению с лазерной закалкой плазменная имеет следующие преимущества:
Стоимость оборудования такой же мощности на порядок ниже;
Простота работы на установке и ее обслуживания, т.е. не требуется высококвалифицированный обслуживающий персонал;
Мобильность установки, т.е. возможность перемещения оборудования и быстрого монтажа на любом станке, обеспечивающем нужную скорость вращения детали или перемещения плазмотрона;
Не требуется, как при лазерной закалке, наносить на поверхность специальные покрытия для увеличения поглощения лазерного излучения;
Высокий КПД, достигающий 85 %;
Возможность плавного регулирования в процессе закалки параметров режимов в широких пределах, т.е. изменения глубины, ширины, структуры и свойств закаленной зоны.
К недостаткам плазменной закалки относятся:
Частичный отпуск в местах наложения закаленных полос;
Необходимость зачистки поверхности закаливаемых изделий от различных загрязнений (окалины, ржавчины, масла);
Необходимость принудительного охлаждения изделий малого диаметра и малой толщины для получения высокой твердости поверхности.
3. Оборудование и технология плазменной закалки
Установка для плазменной закалки состоит из:
Плазмотрона (или нескольких плазмотронов);
Источника питания;
Осциллятора для зажигания плазменной дуги;
Пульта управления с контрольно-измерительными приборами;
Станка, вращателя или манипулятора, обеспечивающего рабочую скорость перемещения плазменной дуги относительно поверхности упрочняемого изделия;
Приспособлений для крепления и настроечных перемещений плазмотрона;
Системы водоснабжения для охлаждения узлов плазмотрона;
Системы газоснабжения для подачи плазмообразующего газа или смеси газов.
Основной исполнительный орган - плазмотрон, в котором генерируется низкотемпературная плазма.
В качестве плазмообразующего газа используются водород, азот, углекислый газ, воздух, аргон, гелий или их смеси. При этом изменяются теплофизические характеристики плазмы.
В качестве источников питания можно использовать специализированные с повышенным напряжением холостого хода или обычные сварочные выпрямители типа ВД-306, ВДУ-504 и др.
Выбор типа и конструкции плазмотрона, плазмообразующего газа и источника питания взаимосвязан и зависит от конкретно поставленной задачи. Мощность установки может быть различной и составляет от 5 до 50 кВт. Производительность установки - до 2,5 м 2 /час в зависимости от требуемой глубины и степени наложения закаленных полос.
Перед закалкой поверхность изделия очищается от загрязнений. Процесс закалки после зажигания дуги происходит при перемещении плазменной дуги (струи) относительно поверхности упрочняемого изделия, что может осуществляться различными способами: закреплена деталь, перемещается плазмотрон; деталь перемещается (вращается), закреплен плазмотрон; перемещаются и деталь, и плазмотрон.
Например, закалка цилиндрических деталей производится, как правило, по винтовой линии, что достигается при одновременном вращении детали и перемещении плазмотрона вдоль оси вращения. При закалке всей поверхности изделия, упрочненные полосы наносят с наложением. Для получения равномерной глубины слоя и распределения твердости по поверхности степень наложения (перекрытия) выбирают в пределах 45...55 %.
Основными параметрами режима плазменной закалки, которые устанавливаются на основании исследований опытных образцов или подбираются в процессе закалки, являются:
Линейная скорость перемещения (0,5...6 см/с);
Ток плазменной дуги (50...1 000 А);
Напряжение дуги (20...200 В);
Расстояние от сопла плазмотрона до поверхности изделия (2...100 мм);
4. Некоторые характеристики упрочненного слоя
К геометрическим характеристиками относятся глубина и ширина зоны плазменного воздействия (ЗПВ). Они зависят от параметров режима закалки, теплофизических свойств упрочняемого сплава и его структурного состояния.
При плазменной закалке дугой прямого и косвенного действия без оплавления поверхности глубину ЗПВ можно изменять в пределах 0,1...1,8 мм и до 5 мм соответственно. Ширину ЗПВ можно регулировать в пределах 1...40 мм. Большую ширину ЗПВ можно получить за счет сканирования дуги или поперечных колебаний плазмотрона. Для получения большей глубины закалка производится с оплавлением, но требуется дополнительная механическая обработка, что не всегда целесообразно.
Следует отметить, что даже при режимах, при которых не наблюдается видимого оплавления поверхности упрочняемого изделия, происходит изменение микрорельефа: уменьшается среднеарифметическое отклонение профиля R а, уменьшается высота микронеровностей R z , увеличивается радиус закругления вершин r, т.е. идет микрооплавление вершин неровностей. Это благоприятно сказывается на изменении параметров шероховатости и способствует не только повышению твердости поверхности, но и увеличивает ее несущую способность, повышает эксплуатационные свойства упрочненных изделий.
5. Материалы, упрочняемые плазменной закалкой
Плазменной закалке из твердого состояния, т.е. без оплавления, подвергают в основном стали, чугуны и титановые сплавы. При закалке из жидкого состояния, т.е. с оплавлением поверхности, к этим материалам добавляются некоторые алюминиевые и медные сплавы.
Значения твердости, получаемые при закалке без оплавления, могут изменяться в широких пределах и составляют в единицах HRC э:
Для низкоуглеродистых сталей - 32...40;
Для среднеуглеродистых сталей - 52...60;
Для чугунов - 50...60.
Твердость и степень упрочнения зависят, в первую очередь, от содержания углерода. Оказывают влияние и другие факторы: легирующие элементы (хим. состав, класс стали), количество и форма графитных включений в чугунах, условия охлаждения (масса изделий, степень наложения полос, наличие охлаждающих сред и т.д.).
При плазменной закалке с оплавлением сталей с содержанием углерода > 0,4 % и чугунов твердость выше. Однако следует заметить, что при этом ухудшаются пластические свойства и возрастает склонность к трещинообразованию.
По данным литературных источников и по результатам исследований, проведенных сотрудниками Плазменной лаборатории Нижнетагильского филиала УГТУ-УПИ (рук. Бердников А.А.) и Проблемной лаборатории металловедения Екатеринбургского УГТУ-УПИ (рук., проф. Филиппов М.А.), плазменной закалкой можно с высокой эффективностью упрочнять:
Углеродистые конструкционные стали (45, Ст.4 и др.);
Конструкционные низколегированные стали (38ХС, 40Х, 30ХГСА и др.);
Низкоуглеродистые стали различной степени легирования после цементации (20, 12ХН3А, 20Х2Н4А и др.);
Пружинные стали (50ХФА, 65Г и др.);
Штамповые стали (4Х5ФМС, 5ХНМ и др.);
Валковые (50, 60ХН, 9Х, 9Х2МФ, 150ХНМ и др.);
Углеродистые инструментальные (У8, У10 и др.);
Серые чугуны (с пластинчатым графитом);
Ковкие чугуны (с хлопьевидным графитом);
Высокопрочные чугуны (с шаровидным и вермикулярным графитом);
И т.д.
6. Примеры эффективного использования плазменной закалки
А) НТМК, РБЦ и ЦПШБ; 1985-1988 гг., г. Н. Тагил.
Закалка деталей роликоправильных машин: бандажей, роликов, планшайб из сталей 40Х, 34ХН1М, 5ХНМ. Закалено более 700 деталей.
Технический эффект : повышение твердости с НВ 340...420 до HRC 54...60; повышение стойкости в 2,5-3 раза. Закалка скатов мостовых кранов из стали 38ХГН. Закалено 16 штук. Технический эффект: повышение твердости с НВ 360 до HRC 53...55.
б) ВСМПО, 1989 г., г. Верхняя Салда.
Закалка крупногабаритных штампов со сложными гравюрами для полугорячей штамповки титана. Материал - штамповые стали 5ХНМ, 5ХНВ после объемной закалки с отпуском. После нескольких переточек снимается закаленный рабочий слой и остается нетермообработанная сердцевина.
Технический эффект : повышение твердости с НВ 280...380 до HRC 60...63, повышение стойкости на 25...100 %.
В) Высокогорский механический завод, 1988-1992 гг., г. Н. Тагил.
Закалка направляющих тельтоматов Æ 100 мм, длина 2600 мм, сталь 45.
Технический эффект : повышение твердости с НВ 420 до HRC 52...54, минимальные поводки (0,16...0,22 мм), улучшение шлифуемости.
Закалка валов, осей, посадочных мест под подшипники, кромок плоских направляющих и др. деталей (14 наименований) из конструкционных низколегированных и пружинных сталей.
Закалка пильных шин электропил «ЭЛПИ». Закалено свыше 1000 шт., сталь 7ХНМ. Технический эффект : повышение твердости с HRC 41...43 до HRC 59...61.
Разработана, изготовлена и внедрена на ВМЗ установка для плазменного нагрева полых медных трубок для высокопроизводительной намотки индукторов различных типоразмеров.
г) УВЗ, 1991 г., г. Н. Тагил.
Внедрена установка плазменной закалки деталей из конструкционных легированных сталей (4 наименования).
Технический эффект : повышение твердости с НВ 280...380 до HRC 50...58.
д) Режевской механический завод, 1990-1991 гг., г. Реж.
Внедрена установка плазменной закалки цилиндрических деталей Æ 60...150 мм из конструкционных низколегированных сталей.
Технический эффект : повышение твердости с НВ 240...280 до HRC 50...54.
е) Лысьвенский металлургический завод, 1990...1992 гг., г. Лысьва.
Внедрены 2 установки плазменной закалки для закалки различных деталей (6 наименований) из конструкционных углеродистых и низколегированных сталей.
Технический эффект : минимальные поводки, повышение твердости с НВ 260...380 до HRC 50...56.
ж) Серовский металлургический завод, 1989-1992 гг., г. Серов.
Закалка валков горячей прокатки обжимных, черновых и получистовых клетей для прокатки круга 180...200, ромбического и шестигранного подката. Материал валков - стали 70Л, 150Х2Г2НМ.
Технический эффект : повышение твердости до HRC 52...56, повышение стойкости валков на 20...80 %, снижение склонности к образованию грубой сетки разгара.
Закалка роликов холодной прокатки для производства шестигранника. Материал валков - стал 9ХФ после объемной закалки и низкого отпуска.
Технический эффект : повышение твердости с HRC 54...58 до HRC 61...63, повышение стойкости роликов на 15...20 %.
з) Качканарский ГОК, 1999-2000 гг., г. Качканар.
Внедрена стационарная установка для плазменной закалки гребней бандажей тепловозов, электровозов и тяговых агрегатов. На 2003 г. закалено более 1000 бандажей.
Технический эффект : повышение до HRC 50...54, повышение стойкости на 25 % по сравнению с закалкой ТВЧ и в 2,0...2,5 раза по сравнению с бандажами в состоянии поставки.
и) Красноуральский медеплавильный завод, 1998...2001 гг., г. Красноуральск.
Закалка крупномодульных приводных косозубых шестерен для мельниц. Материал шестерен - сталь 40Х и 45.
Технический эффект : повышение твердости до HRC 52...56 и стойкости в 2,2-2,8 раза.
к) НТМК, обжимной, крупносортный, рельсобалочный цеха1995...2009 гг., г. Н. Тагил.
Закалка стальных и чугунных валков для прокатки швеллеров, уголков, круга, квадрата, рельсов, хребтовой балки, круга. Закалено более 8000 валков весом от 7 до 34 т.
Технический эффект : повышение стойкости валков до 80 %, снижение удельного расхода на 25...45 % кг/т в зависимости от клети и прокатываемого профиля. Фактическая экономия 3 - 9 руб. на 1 руб. затрат.
л) НТМК, 2000-2009 гг.
Закалка бандажей роликоправильных машин из сталей 45, 45 ХНМ для правки сортового проката. Закалено более 650 бандажей.
Технический эффект : повышение твердости до HRC 52...56, увеличение стойкости в 1,6-3,1 раза.
м) ЗАО «Горнозаводсктранспорт», г. Горнозаводск, 2003 г.
Внедрена мобильная (переносная) установка для плазменной закалки гребней бандажей тепловозов.
Технический эффект
н) ОАО «Карельский окатыш», г. Костомукша, 2004 г.; ОАО «Михайловский ГОК», г. Железногорск, 2006г; ОАО «Лебединский ГОК», г. Губкин, 2006 г.
Внедрена стационарная установка для плазменной закалки гребней и бандажей тепловозов на базе станка КЖ-20.
Технический эффект : повышение твердости поверхности до HRC 50...54, повышение стойкости в 2,0-2,5 раза по сравнению с бандажами в состоянии поставки.
о) ОАО «УРАЛАСБЕСТ» (г. Асбест, Свердловская обл. 2007г.) Внедрена стационарная установка для плазменной закалки гребней и бандажей тепловозов на базе станка КЖ-20.
Технический эффект : повышение твердости поверхности до HRC 52...58, повышение стойкости в 1,8-2,5 раза по сравнению с бандажами в состоянии поставки.
п) ОАО «НТМК» (г.Нижний Тагил, 1995-2010 г.г.) Плазменная закалка валков горячей прокатки в ОЦ-1(до 1999г.), в КСЦ и РБЦ на постоянной основе по ежегодным договорам подряда.
Технический эффект : повышение стойкости, наработки и снижение удельного расхода валков в 1,2-1,6 раза.
Таким образом, плазменная закалка внедрена на многих машиностроительных, металлургических предприятиях, горно-обогатительных комбинатах России. Спроектированы, изготовлены и смонтированы стационарные мобильные установки для плазменной закалки деталей машин и инструмента на токарно-винторезных, наплавочных, токарно-карусельных, вальцетокарных и вальцешлифовальных станках. Установки оснащены плазмотронами собственной разработки для закалки дугой прямого и косвенного действия, со сканированием дуги и без, в том числе ручные плазмотроны для закалки локальных участков деталей машин и инструмента.
УДК 621.791
Д.С. Белинин, В.С. Верхорубов, П.С. Кучев, Н.Н. Струков, Ю.Д. Щицын D.S. Belinin, V.S. Verkhorubov, P.S. Kuchev, N.N. Strukov, Y.D. Shitcin
Пермский национальный исследовательский политехнический университет Perm National Science Polyechnical University
ПЛАЗМЕННАЯ ЗАКАЛКА ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТАЛИ 40Х13
PLASMA SURFACE HARDENING OF HARD LOADING CONSTRUCTIONS MADE OF STEEL 40X13
Изложена технология плазменной поверхностной закалки с оплавлением поверхности изделий из стали 40Х13. Приведены структура, твердость упрочненного слоя и внешний вид поверхности после обработки.
Ключевые слова: плазма, поверхностная закалка, твердость, износостойкость, большая глубина.
The paper presented the technology of plasma surface hardening of surface melting of steel products 40Ch13. Given structure, the hardness of the hardened layer and the surface appearance after treatment.
Keywords: plasma, surface hardening, hardness, wear resistance, great depth.
Решение вопросов повышения надежности, экономичности и ресурса выпускаемых деталей и узлов машин, агрегатов, ответственных конструкций требует применения материалов, способных работать в различных агрессивных средах, в условиях высокого перепада температур и давлений, повышенных вибраций при переменных контактных, ударных, статических нагрузках и т.д. . Возможность продолжительной эксплуатации таких изделий во многом связана с износостойкостью материалов, из которых они изготовлены. Многие параметры изделия в основном определяет состояние поверхностного слоя материала, из которого оно изготовлено. Поэтому использование дефицитных и дорогостоящих конструкционных материалов во всем объеме изделия нецелесообразно. Перспективным направлением решения этой проблемы представляется упрочняющая термическая обработка (закалка) рабочей поверхности изделий плазменной дугой. Основной отличительной особенностью метода плазменного поверхностного упрочнения является возможность получения скоростей нагрева и охлаждения материалов, на не-
сколько порядков превышающих значения, характерные для традиционных методов упрочнения (печной закалки, закалки ТВЧ, газопламенной закалки и др.), что способствует получению упрочненных слоев с недостигаемым ранее уровнем эксплуатационных свойств .
Сталь 40Х13 - высоколегированная, коррозионностойкая, жаропрочная сталь мартенситного класса (табл. 1).
Таблица 1
Химический состав стали 40Х13
стали С Бі Мп Б р Сг Мі Мо V прочие
40Х13 0,35-0,44 < 0,8 < 0,8 5 О, 0, VI < 0,025 12,0-14,0 - - - -
Хромистые стали рассматриваемой группы помимо высокой коррозионной стойкости обладают и другими важными свойствами - повышенными жаропрочностью и жаростойкостью. Повышенная жаропрочность высокохромистых сталей даже без дополнительного легирования связана с высоким содержанием хрома в твердом растворе; отношение Сг/С в этих сталях значительно выше критического. Кроме того, при достаточном содержании углерода в таких сталях они закаливаются на мартенсит даже при охлаждении на воздухе .
При высоких механических и антикоррозионных свойствах высокохромистые стали имеют пониженные технологические свойства, в том числе пониженную свариваемость, склонность к отпускной хрупкости, образованию ликваций, холодных трещин. Это связано с особенностями фазового состояния высокохромистых сталей и особенностями структурных и фазовых превращений, происходящих при нагреве и охлаждении.
Повышенная склонность мартенситных сталей к хрупкому разрушению в состоянии закалки усложняет технологию их обработки. При содержании углерода более 0,1 % мартенситные стали склонны к образованию холодных трещин из-за высокой степени тетрагональности кристаллической решетки мартенсита. Мартенситное превращение в них имеет две особенности, отрицательно влияющие на образование холодных трещин. При охлаждении сталей с температур нагрева аустенитного состояния (полного или частичного) мартенситный распад происходит в широком интервале скоростей охлаждения, что обусловливает обязательное образование в обработанной зоне полностью мартенситной структуры, иногда даже с некоторым количеством аустенита (повышенное содержание углерода, легирование никелем) или феррита (низкое содержание углерода, легирование ферритообразующими элементами).
Другая особенность мартенситного превращения, обусловливающая повышенную склонность к образованию холодных трещин, состоит в том, что мар-тенситный распад происходит при пониженной температуре (около 150 °С), исключающей протекание процессов самоотпуска. Образующийся в этих условиях мартенсит имеет повышенный уровень микронапряжений и плотность дислокаций, оказывающихся заблокированными, поэтому обладает повышенной хрупкостью.
Еще одна особенность сталей мартенситного класса осложняет технологические условия поверхностной обработки. В связи с тем, что мартенситные стали, в том числе и жаропрочные высокохромистые, являются термически улучшаемыми и используются после закалки и высокого отпуска, участки ЗТВ, нагревавшиеся при обработке до температуры, близкой к Ас1 разупроч-няются. Чтобы избежать такого разупрочнения, требуется проведение сложной термообработки.
В связи с указанным сочетанием свойств высокохромистые стали находят широкое применение в производстве большинства современных деталей машин, элементов конструкций и технологического инструмента. Как правило, такие изделия работают в условиях циклических нагрузок, при воздействии окислительных процессов, а также абразивных частиц. При этом максимальные повреждения и интенсивное изнашивание локализованы в поверхностном рабочем слое детали. В связи с этим особую актуальность приобретают задачи поверхностного упрочнения за счет изменения свойств и механизма изнашивания только рабочего слоя.
Плазменная поверхностная закалка может осуществляться как с оплавлением, так и без оплавления поверхности. Обработка без оплавления обеспечивает сохранение параметров шероховатости поверхности, достигнутых предшествующей механической обработкой. В этом случае термообработка является финишной операцией и легко встраивается в технологический процесс изготовления или ремонта. Обработка с оплавлением рекомендуется для повышения твердости и износостойкости переплавленного слоя высокоуглеродистых сталей.
Целью данной работы являлась разработка технологии плазменной закалки поверхности плиты и валка опорной пары мостовой конструкции. Опорная пара является тяжело нагруженным элементом мостовой конструкции и представляет собой каток, перемещающийся по поверхности плиты. Конструкция достаточно массивная и габаритная: вес катка 350 кг, плиты - 70 кг. Для обеспечения надежности такой конструкции к поверхности плиты предъявляются следующие требования: твердость на поверх-
ности не ниже 50 ИЯС, глубина упрочненного слоя 4 мм твердостью не ниже 42 ИЯС.
Для проведения плазменной закалки был собран стенд на базе универсального наплавочного станка У-653 (рис. 1). Для выполнения закалки использовалось многоцелевое оборудование для плазменной обработки металлов, разработанное на кафедре «Сварочное производство и технология конструкционных материалов» Пермского национального исследовательского политехнического университета.
Рис. 1. Установка для проведения плазменной закалки: 1 - источник питания ВД-306Ф; 2 - наплавочный станок У-653; 3 - пульт управления; 4 - плазмотрон; 5 - изделие; 6 - вентиль подачи воды; 7 - распределитель воды; 8 - баллоны с аргоном
Технологические параметры процесса плазменной поверхностной закалки включают в себя величину и полярность тока, скорость перемещения плазмотрона относительно изделия, расход защитного и плазмообразующего газов, диаметр плазмообразующего сопла (табл. 2). Упрочнение поверхности заданной площади достигается последовательным формированием локальных зон закалки в виде протяженных полос встык (рис. 2-4), с зазором или с перекрытием между ними. Данная работа проводилась в варианте плазменной закалки на токе прямой полярности с оплавлением поверхности без перекрытия и без зазора между упрочненными зонами на следующих режимах:
Таблица 2
Режимы плазменной поверхностной закалки
Величина тока /св, А Полярность тока Величина скорости перемещения плазмотрона V, м/ч Расход плазмообразующего газа Qro л/мин Расход защитного газа Qз, л/мин
Рис. 2. Вид процесса плазменной закалки Рис. 3. Внешний вид поверхности
после обработки
Рис. 4. Макрошлиф поперечного сечения закаленного слоя
Упрочнение рабочей поверхности изделия с помощью плазменной поверхностной закалки с оплавлением поверхности обеспечивает формирование поверхностного слоя с высокими показателями твердости. Это достигается благодаря изменению физико-механических характеристик поверхностного слоя, вследствие образования специфической структуры и фазового состава металла с высокой твердостью и дисперсностью . Однако получить бездефектный слой с равномерно распределенными свойствами, без наличия крупных включений, трещин достаточно трудно. С целью подтверждения эффекта от плазменной закалки (повышение эксплуатационных свойств детали, отсутствие трещин в упрочненном слое) было проведено металлографическое исследование и замеры микротвердости основных зон полученных образ-цов-свидетелей, результаты которого представлены в табл. 3, 4 и на рис. 5, 6.
Рис. 5. Микроструктура и замеры микротвердости закаленного слоя (переход от литой структуры к игольчатой)
Рис. 6. Микроструктура и замеры микротвердости закакленного слоя (переход от зернистой структуры к основному металлу)
Таблица 3
Изменение твердости по глубине упрочненной поверхности плиты после механической обработки (шлифовка поверхности)
Глубина, мм 0,35 0,75 1,15 1,55 1,95 2,35 2,75 3,15 3,55 3,95 4,35 4,55
Твердость, ЫЯС 52 50 48 51 55 53 56 57 49 46 44 40
Структура Литая Игольчатая Зернистая
Таблица 4
Изменение микротвердости по ширине упрочненной поверхности
№ п/п Расстояние от центра, мм Твердость, ЫЯС
Таким образом, после плазменной поверхностной закалки с оплавлением поверхности качество упрочненного слоя полностью удовлетворяет установленным требованиям, что дает основание рекомендовать разработанную технологию обработки как эффективную для изделий из сталей типа 40Х13, работающих в условиях высоких контактных нагрузок и перепада температур.
Сделаем следующие выводы:
1. Разработана технология, позволяющая получить бездефектный упрочненный слой глубиной до 5 мм с равномерно распределенными прочностными свойствами по сечению с сохранением исходных свойств сердцевины детали.
2. Максимальные значения твердости достигаются вблизи центра закаленной зоны. При этом, в связи с эффектом отпуска закаленной стали при повторном нагреве, значение твердости в области стыковки двух последовательно упрочненных участков незначительно уменьшается.
3. Минимальная деформация обрабатываемого изделия снижает трудоемкость последующей механической обработки.
Список литературы
1. Тюрин Ю.Н., Жадкевич М. Л., Мазунин В.М. Упрочнение металлических изделий с использованием импульсно-плазменной технологии // Сварщик в России. - 2007. - № 1. - С. 48-52.
2. Сафонов Е.Н. Новые материалы и технологические процессы для продления ресурса прокатных валков / НТИ(ф) УГТУ-УПИ. - Нижний Тагил, 2005.- С. 275.
3. Влияние технологии поверхностного упрочнения высококонцентрированным источником нагрева на структуру и трещиностойкость наплавленного металла и углеродистых сталей / Л.К. Лещинский [и др.]. // Сварочное производство. - 1987. - № 5. - С. 3-5.
4. Плазменное поверхностное упрочнение / Л.К. Лещинский [и др.]. // Тэхника. - 1990. - 109 с.
5. Сафонов Е.Н., Журавлев В.И. Поверхностное упрочнение железоуглеродистых сталей дуговой закалкой // Сварочное производство - 1997. - № 10. -С.30-32.
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.
Успешно обрабатывались такой установкой шлицевые соединения эджерных валов из стали 5ХНМ для ОАО «ЕВРАЗ НТМК» от 37 до 58 HRC (Рис. 8,9).
Рис. 9. (х 2)
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.