материал предоставил д.т.н. КОРОТКОВ Владимир Александрович
СВАРКА. РЕНОВАЦИЯ. ТРИБОТЕХНИКА: тезисы докладов VI Уральской научно-практической конференции / Отв. ред. В.А. Коротков; М-во образования и науки РФ; ФГАОУ ВПО “УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина”, Нижнетагил. технол. ин-т (фил.). – Нижний Тагил: НТИ (филиал) УрФУ, 2013. – 76 с.

Сведения о плазменной закалке появились в 80-х годах XX века [1, 2]. Наличие в промышленности различных плазменных аппаратов (для резки, сварки, напыления) подталкивало новаторов приспосабливать их для поверхностной закалки. Установку микроплазменной сварки использовали для поверхностной закалки деталей шахтного оборудования и автомобильных распределительных валов [3]. Установку для напыления с мощной дугой косвенного действия применили для закалки прокатных валков [4].

Большую работу по адаптации сварочных аппаратов для поверхностной закалки провели в Нижнетагильском филиале Уральского политехнического института, ныне – Уральского федерального университета. Модернизация плазмотрона позволила использовать установку плазменной сварки УПС-501 для поверхностной закалки дугой прямого действия. Внедрение в производство было сделано на Нижнетагильском металлургическом комбинате (НТМК) в 1985 г. Успех был замечательный, стойкость бандажей рельсоправильных машин с плазменной закалкой увеличилась в 2-4 раза [5, 6]. Впоследствии разработанная технология с усовершенствованиями стала применяться для поверхностной закалки ручьёв (калибров) валков горячей прокатки [7]. Таким же образом для плазменной закалки была адаптирована установка плазменной резки УПР-404 [8]. Она получила применение для упрочнения наплавленных роликов рольгангов, транспортирующих закалённые рельсы. За счёт её срок службы роликов увеличился более чем в три раза. Для исключения трещин установили оптимальное соотношение толщин закалённого и наплавленного слоёв, а для увеличения глубины закалки – способ сканировании дуги [9, 10].

В отличие от плазменных установок, оборудование для сварки вольфрамовым (W) неплавящимся электродом в аргоне более распространённое. Поэтому была выполнена его адаптация к поверхностной закалке. Чтобы увеличить ширину закалённых полос к дуге подвели магнитное поле, которое придало ей веерообразную форму и равномерно распределило тепловую энергию на ширину до 15 мм [11, 12]. Плазменные установки с дугой косвенного действия, адаптированные к закалке, применялись для упрочнения валков, железнодорожных колёс и прокатных валков [4, 13].

Несмотря на перечисленные успехи, плазменная закалка в 90-х гг. не обрела самостоятельной жизни. Её промышленное применение в основном поддерживалось разработчиками технологий. Плазменные установки для поверхностной закалки как самостоятельный вид товара не выпускались.

Установка ручной плазменной закалки УДГЗ-200

Разработанные технологии плазменной закалки имели существенный недостаток – их ручное применение было не возможно или затруднительно. Дуга косвенного действия работает при напряжениях более 250 В, которые не допустимы в ручном процессе. Дуга прямого действия чувствительна к настройке режима. Отклонения от оптимального, которые неизбежны при ручной закалке, сопровождаются или оплавлением закаливаемой поверхности, или исчезновением закалённого слоя. Поэтому выше описанные технологии плазменной закалки применялись только в автоматическом режиме, когда параметры настройки легко поддерживаются неизменными.

В современный век роботов и “безлюдных” производств разработка ручной технологии может показаться ошибочной. Однако ручные технологии, благодаря универсальности, демонстрируют живучесть. В мире основной объём сварки (более 80%) выполняются электродами или полуавтоматами, то есть вручную. По аналогии ожидалось, что с разработкой ручного способа плазменной закалки объёмы её применения возрастут, и произойдёт это за счёт изделий, которые ранее по тем или иным причинам закалить было не возможно.

При ручной закалке плазменная дуга должна обеспечивать равномерный прогрев независимо от естественных и неизбежных при этом колебаний длины дуги и скорости её перемещения. Критерием оценки служит отсутствие внезапных оплавлений поверхности и исчезновений закалённого слоя. Направление в исследованиях было выбрано с учётом работы [14]. В ней установлено, что обжатие сварочной дуги возможно не только в сопле, но и за счёт газового потока, истекающего через контролируемый зазор между соплом и электродом. В результате был разработан способ ручной плазменной закалки, горелка для его осуществления и на их основе – закалочная установка УДГЗ-200 (рисунок 1) [15, 16, 17]. Закалка выполняется горелкой, небольшие размеры которой делают её удобной для ручного манипулирования, позволяют добираться ею до труднодоступных мест и упрочнять то, что ранее было невозможно.

Установка УДГЗ-200

Рисунок 1 – Установка УДГЗ-200

При закалке сварщик перемещает дугу (рисунок 2) по поверхности со скоростью, обеспечивающей легкое “вспотевание” металла под дугой. Это состояние контролируется не труднее, чем плавление при сварке, но оно позволяет поддерживать необходимый для закалки нагрев и одновременно не допускает грубого повреждения поверхности. Дуга оставляет на поверхности закалённые полосы шириной 8-12 мм, которые сварщик располагает с некоторым перекрытием. Они окрашены “цветами побежалости”, то есть покрыты тонкой плёнкой окислов, которые не оказывают существенного влияния на шероховатость поверхности (рисунок 3). Плазменная закалка не даёт деформаций, благодаря чему закалённым деталям не требуются финишная шлифовка.

Плазменная дуга во время закалки

Рисунок 2 – Плазменная дуга во время закалки

Пальцы ковша экскаватора с плазменной закалкой

Рисунок 3 – Пальцы ковша экскаватора с плазменной закалкой

Закалка происходит за счёт отвода тепла в тело детали без подачи воды на место нагрева. Поэтому установка УДГЗ-200 применяется на ремонтных площадках, по месту механообработки и эксплуатации деталей, а не только в термических цехах и на специализированных участках.

Твёрдый (HRC 45-65) слой закалки (0,5-1,5 мм) многократно увеличивает срок службы крановых рельс и колёс, зубчатых и шлицевых соединений, канатных блоков, вырубных, формовочных, вытяжных штампов и других ответственных деталей. Наличие установки УДГЗ-200 восполняет отсутствие печей для закалки, цементации, установок ТВЧ; делает закалку экологически чистой. Работу на ней легко осваивают сварщики 2-3 разрядов. Закалка установкой УДГЗ-200 может быть механизирована, автоматизирована и роботизирована. Благодаря установке УДГЗ-200 увеличена номенклатура закаливаемых изделий и решён ряд важных проблем на ведущих предприятиях Урала: ОАО “ЧМК”, ОАО “НТМК”, ОАО “ВСМПО-АВИСМА”, ОАО “ЧТПЗ”, ОАО “КГОК” и других. Через пять лет после разработки установка УДГЗ-200 прошла сертификацию, и по ТУ 3862-001-47681378-2007 было начато её промышленное производство. К концу 2012 г. выпущено более 40 установок, которые поставлены на предприятия России, Украины, Казахстана.

Перечень ссылок

  1. Селиванов М.В., Шепелев Н.С. Применение плазмы для упрочнения за рубежом. – М.: ЦНИИ информ. и техн.-эконом. исслед. чёрной металлургии, 1985. – Вып. 2. – 23 с.
  2. Поверхностное упрочнение сталей плазменной закалкой / В.А. Линник, А.К. Онегина, А.И. Андреев и др. // МиТОМ, 1983. – № 4. – С. 2-4.
  3. Использование микроплазменного нагрева в процессах упрочняющей технологии / Кобяков О.С., Гринзбург Е.Г. // Автоматическая сварка, 1985. – № 5. – С. 65-67.
  4. Структура и свойства сталей, упрочнённых плазменной струёй / Л.К. Лещинский, И.И. Пирч, С.С. Самотугин и др. // Сварочное производство, 1985. – № 11. – С. 20-22.
  5. Плазменная закалка деталей технологического оборудования / А.А. Бердников, М.А. Филиппов, Р.И. Силин, И.Н. Веселов // Тез. докл. научн.-технич. конф. “Прогрессивные технологии упрочнения”. – Пенза: ПДН-ТП, 1986. – С. 69-70.
  6. Коротков В.А., Бердников А.А., Толстов И.А. Восстановление и упрочнение деталей и инструмента плазменными технологиями. – Челябинск: Металла, 1993. – 144 с.
  7. Упрочнение чугунных валков методом плазменной закалки / А.А. Бердников, В.С. Демин, Е.Л. Серебрякова и др. // Сталь, 1995. – № 1. – С. 56-59.
  8. Восстановление и упрочнение роликов рольгангов / В.А. Коротков, Л.В. Баскаков, И.А. Толстов, А.А. Бердников // Сварочное производство, 1991. – № 3. – С. 31-33.
  9. Способ восстановления стальных деталей. А.с. 1671706 (СССР). – Бюл. 31, 1991.
  10. Плазменная закалка сканируемой дугой без оплавления / В.А. Коротков, О.В. Трошин, А.А. Бердников // Физика и химия обработки материалов, 1995. – № 2. – С. 106-111.
  11. Сафонов Е.Н., Журавлев В.И. Поверхностное упрочнение железоуглеродистых сплавов дуговой закалкой // Сварочное производство, 1997. – № 10. – С. 30-32.
  12. Особенности электродуговой поверхностной закалки валковых сталей / В.Н. Давыдов, Р.И. Силин, Н.Н. Давыдова и др. // Бюл. Чёрная металлургия, 1990. – № 5. – С. 58-60.
  13. Эффективный способ поверхностного упрочнения ж/д колес / П.П. Иванов, Э.Х. Исаков, В.И. Изотов и др. // Сталь, 2000. – № 1. – С. 63-66.
  14. Вейнбойм Д.И., Ратманова Ж.В. Энергетические характеристики дуги с различной степенью обжатия // Сварочное производство, 1974. – № 5. – С. 1-3.
  15. Патент 2313581. Способ ручной плазменной закалки. – Бюл. 36 от 27.12.2007.
  16. Патент на ПМ 57282. Горелка для ручной закалки. – Бюл. № 28 от 10.10.2006.
  17. Коротков В.А. 10 лет применению ручной плазменной закалки // Тяжёлое машиностроение, 2012. – № 1. – С. 2-5.