Актуальность работы. Однокатковая опорная часть мостовой конструкции является тяжелонагруженным элементом и работает в условиях высоких суммарных контактных нагрузок, резких перепадов температур и воздействия агрессивных сред. Конструкция достаточно массивная и габаритная, представляет собой каток, перемещающийся между поверхностями опорных плит. Как правило, тяжелонагруженные детали воспринимают основную нагрузку своими поверхностными слоями. Учитывая многолетний опыт изготовления и эксплуатации таких конструкций разработчиками установлено, что толщина рабочего слоя заданной конструкции составляет 4,5 мм, с распределением твердости 54 - 42 ИКС от поверхности в глубь изделия. Условия эксплуатации предполагают использование материалов сочетающих в себе как высокие прочностные характеристики так и высокие характеристики коррозионной стойкости. Опыт разработки показывает, что с точки зрения технологических и экономических показателей, наиболее рациональным материалом для изготовления опорных пар является сталь 40Х13.
Повышение износостойкости деталей, работающих в условиях высоких суммарных контактных нагрузок и воздействия агрессивных атмосфер за счет формирования структуры рабочего слоя с заданным комплексом свойств при плазменной поверхностной закалке и наплавке является актуальной проблемой. На сегодняшний день существуют технологические рекомендации плазменной поверхностной закалки применительно к валковым сталям и чугунам, и позволяющие получить упрочненный слой глубиной не более 2.5 мм. В большинстве случаев процессы наплавки и термообработки выполняются на токе прямой полярности, что не всегда обеспечивает необходимый комплекс свойств упрочненного слоя.
Таким образом, получение упрочненных слоев требуемых характеристик и расширение номенклатуры материалов подвергающихся поверхностному упрочнению является актуальной задачей, а задачи получения повышенной глубины упрочненного слоя с требуемыми характеристиками и вовсе остаются нерешенными.
Цель и задачи работы. Цель работы - формирование рабочих поверхностей деталей опорной конструкции из стали 40Х13 с твердостью 52 - 42 ИКС на глубину не менее 4 мм.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
• Изучение закономерностей теплопередачи в изделие при плазменной поверхностной термообработке на токах прямой и обратной полярности с целью формирования упрочненных слоев глубиной в 4 мм.
• Изучение влияния плазменного поверхностного нагрева при работе на токах прямой и обратной полярности на особенности структурообразования в высоколегированных коррозионно-стойких сталях.
• Установление взаимосвязи технологических параметров плазменной поверхностной термообработки и наплавки на токе обратной полярности с глубиной и твердостью упрочненного слоя.
• Разработка универсального плазмотрона с блоком управления плазменной дугой, совмещенного с источником питания, для проведения плазменной наплавки и поверхностной термообработки.
• Внедрение результатов работы применительно к изготовлению однокатковой опорной части свободного конца мостовой конструкции.
Методология исследования включала аналитическое решение тепловых задач с последующей экспериментальной проверкой. В работе использован комплекс научно-технологического оборудования для плазменной обработки металлов на базе универсального станка УНП-500. Для исследования структуры и свойств изучаемых материалов использовались следующие методы: рентгенгено-фазовый анализ; методы оптической и электронной микроскопии, стандартные методики исследования свойств материалов. Исследования проводились на образцах из стали 40Х13.
Научная новизна работы:
На основе изучения особенностей теплопередачи в изделие при плазменной обработке на токах прямой и обратной полярности определены условия формирования упрочненных поверхностных слоев повышенной толщины изделий из высоколегированных сталей мартенститного класса:
1. Выявлено влияние полярности тока на геометрические параметры, структуру и твердость упрочненной зоны при плазменной поверхностной обработке высоколегированных коррозионностойких сталей мартенситного класса. Определены рациональные области применения плазменной поверхностной обработки на токах прямой и обратной полярности.
2. Определено соотношение количества теплоты вводимого в обрабатываемое изделие при работе плазмотрона на токах прямой и обратной полярности между теплопередачей от плазменного потока и теплопередачей за счет приэлектродных процессов на поверхности изделия. Показана возможность регулирования теплопередачи в изделие при работе плазмотрона на токе обратной полярности за счет изменения площади зоны блуждания катодных пятен(зоны катодной очистки).
3. Теоритически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения закаленного поверхностного слоя толщиной 4,5 мм изделий из стали 40Х13 при плазменной поверхностной обработке на токе прямой полярности с оплавлением поверхности. Показана возможность получения повышенной толщины упрочненных слоев изделий из высоколегированных коррозионностойких сталей мартенситного класса плазменной наплавкой однородного материала на токах прямой и обратной полярности.
4. Разработана тепловая модель плазменной поверхностной обработки на токе обратной полярности, учитывающая нагрев рабочей поверхности изделия за счет плазменного потока и тепловыделения в катодных пятнах, решение которой обосновывает возможность получения упрочненного поверхностного слоя глубиной 2,5 мм изделий из стали 40Х13 при обработке без оплавления поверхности. Показано, что образующаяся в результате обработки мелкодисперсная структура мартенситного типа, не требует дальнейшей термической и механической обработки.
Практическая значимость работы:
• Разработаны научно-обоснованные технологические рекомендации по реализации процесса плазменного поверхностного упрочнения и наплавки для получения повышенной глубины упрочненного слоя обрабатываемых изделий из стали 40Х13. Разработаны технологические процессы плазменной наплавки и поверхностной термообработки на прямой и обратной полярности обеспечивающие различные сочетания геометрических и прочностных характеристик рабочих слоев однокатковых опорных частей из стали 40Х13
• Разработано оборудование для проведения плазменной поверхностной термообработки и наплавки на токах прямой и обратной полярности.
• Осуществлено внедрение технологического процесса плазменной поверхностной термообработки при изготовлении однокатковой опорной части свободного конца мостовой конструкции.
На защиту выносятся:
- Определение количественного соотношения доли тепловложения в изделия при работе на обратной полярности;
- Методика расчета температурных полей при обработке на обратной полярности.
- Влияние параметров режима и полярности тока на структуру и свойства упрочненной зоны
- Технологические процессы плазменной наплавки и поверхностной термообработки и конструктивно-технологическое обеспечение для их реализации
- Рекомендации по использованию разработанных технологических процессов в промышленном производстве.
Работа выполнялась с 2010 по 2013 гг в рамках тематического плана по заданиям Минобразования России и НТП, финансируемого из средств федерального бюджета Рособразованием (Минобразованием России) 1.31.11 «Повышение эффективности обработки металлов с использованием плазменных технологий» (гос. регистрация № 01201257419, № 01201168144). Результаты работы используются в ООО «Альфатех» (г. Пермь) при изготовлении опорных частей мостов и путепроводов (акт № 1/12 10.10.2012).
Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования представлены на следующих конференциях и конкурсах: международная научно-техническая конференция «Сварка и контроль - 2013», г. Пермь 2013; VI Уральская научно-практическая конференция «Сварка. Реновация. Триботехника». г. Нижний Тагил, 2013; международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в машиностроении», г. Пермь 2012; всероссийская научная конференция «Наука. Технологии. Инновации», г. Новосибирск, 2012; всероссийская ежегодная научно-техническая конференция молодых специалистов НПО «Искра», г. Пермь, 2011; всероссийская научно-практическая конференция «Молодежный инновационный форум 2011 Приволжского Федерального округа», г. Ульяновск, 2011. За совокупность работ по разработке и реализации процессов плазменной поверхностной термообработки и наплавки автор награжден медалью, дипломом лауреата всероссийского конкурса «Инженер года» и свидетельством профессионального инженера России.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 33 работы, в том числе 6 работ в рецензируемых журналах рекомендованных ВАК и одна работа в международном журнале входящем в базу SCOPUS.
Структура и объем работы. Диссертационное исследование состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка литературы. Диссертация изложена на 133 страницах, в том числе содержит 65 рисунков, 27 таблиц, список литературы включает 128 наименований.
1. Определено влияние технологических параметров процесса плазменного упрочнения на мощность сжатой дуги и теплопередачу в изделие при работе на токах прямой и обратной полярности. Установлено что при схожих технологических параметрах, тепловложение в изделие при работе плазмотрона на токе обратной полярности в 1,3 - 1,6 раза выше чем при работе на прямой.
2. Определено различие теплопередачи в изделие за счет процессов в приэлектродных областях при работе плазмотрона на токах прямой и обратной полярности. Установлено количественное соотношение тепловой мощности, передаваемой изделию плазменным потоком и за счет приэлектродных процессов на поверхности изделия. Показано, что мощность передаваемая изделию плазменным потоком при работе на токах прямой и обратной полярности составляет 65 - 85% всей мощности передаваемой изделию сжатой дугой. При работе плазмотрона на токе обратной полярности, при одинаковых режимах, величина мощности передаваемой потоком плазмы в 1,2 - 1,6 раз больше чем при работе на прямой полярности.
3. Разработана тепловая модель плазменной поверхностной термообработки на токе обратной полярности, учитывающая два механизма нагрева изделия: от потока плазмы и за счет тепловыделения в нестационарных катодных пятнах.
4. Определены геометрические характеристики и структурные составляющие основных зон формируемых в сталях рассматриваемой группы при плазменной поверхностной термообработке:
- в результате плазменной поверхностной закалки на токе прямой полярности с оплавлением поверхности удается получить упрочненные слои шириной от 7 до 12 мм и глубиной от 2 до 4,5 мм в зависимости от погонной энергии режима. При этом формируется литая структура мартенситного типа с постепенным переходом к мелкодисперсной структуре основы, с равномерно распределенными по сечению значениями твердости (56 - 42 ИКС от поверхности вглубь изделия). При термической обработке с оплавлением поверхности необходимо использование низкотемпературного отпуска для снятия закалочных напряжений.
- при обработке без оплавления поверхности на токе обратной полярности удается получить упрочненный слой с равномерно распределенными по глубине (от 0,5 до 2,5 мм) и ширине (от 15 до 23 мм) прочностными свойствами и благоприятной мелкозернистой структурой высокой твердости (до 50 ИКС) не требующей дальнейшей термической и механической обработки. Поверхностная обработка на токе обратной полярности при малых погонных энергиях обеспечивает резкое изменение структуры и свойств тонкого поверхностного слоя (до 0,5 мм) с минимальным нагревом изделия. При этом, за счет высокоскоростного нагрева и охлаждения поверхности небольшой глубины образуется ориентированная мелкодисперсная структура мартенситного типа высокой твердости.
5. Показано, что требуемые характеристики рабочего слоя могут достигаться плазменной наплавкой материала аналогичного основному, без дальнейшей поверхностной термообработки. При таком варианте происходит изменение структуры наплавляемого металла и поверхностная термическая обработка металла основы, за счет нагрева плазменной дугой. Величина слоя наплавленного металла составляет несколько миллиметров, что в сумме с зоной поверхностного упрочнения основного металла позволяет получать достаточно большие по суммарной глубине(от 3 до 5,5 мм) слои высокой твердости(52 - 58 ИКС). Экспериментально показано, что при схожих толщинах наплавляемого материала в зависимости от полярности меняется ширина наплавленного валика и глубина проплавления основного металла. При плазменной наплавке на токе прямой полярности ширина наплавляемого валика составляет от 12 до 15 мм, глубина проплавления основного материала 1,2 - 1,7 мм. Применение плазменной наплавки на токе обратной полярности позволяет при схожих параметрах режима увеличить ширину наплавляемого валика от 19 до 23 мм за один проход и уменьшить глубину проплавления основного металла (от 0,25 до 0,6 мм). Большая ширина наплавки за один проход позволяет увеличить производительность процесса и снизить риск перегрева изделия.
6. Разработана технология и подобраны режимы плазменного поверхностного
упрочнения катков и плит однокатковой опорной части мостовой конструкции из высоколегированных коррозионно-стойких сталей типа 40Х13, позволяющая осуществлять закалку поверхностного слоя (до 56 ИКС) на глубину до нескольких миллиметров (4,5 мм.) с сохранением первоначальных свойств в массиве детали (15-20 ИКС), и обеспечивающая приемлемое сочетание механических характеристик упрочненного слоя.
7. Применение технологии плазменного поверхностного упрочнения позволяет снизить почти на 20% затраты на материалы и энергоносители при изготовлении изготовление деталей однокатковой опорной части мостовой конструкции по сравнению с технологией наплавки высокопрочной стали на низколегированную сердцевину. Сокращение затрат на изготовление и дальнейшую механическую обработку позволяет компенсировать затраты на разработку проекта. При этом использование в качестве материала детали стали 40Х13 обеспечивает лучшее сочетание прочностных и свойств коррозионной стойкости в массиве деталей по сравнению с использовавшейся, в качестве сердцевины деталей низколегированной стали 09Г2С.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
