Покрытия

Электролитно-плазменное упрочнение

Технология электролитно-плазменного упрочнения (ЭПУ) поверхности крупногабаритных изделий разработана в Институте электросварки им. О. Е. Патона НАН Украины .

Электролитно-плазменное упрочнение осуществляется нагревом участков поверхности изделия электрическими разрядами через плазменный слой. Плазменный слой формируется из материала электролита на водной основе в зазоре между жидким (электролитным) электродом и поверхностью изделия.

Нагреватель содержит металлический анод с характерным размером Da и сквозными отверстиями для протекания электролита к поверхности изделиякатода (рис. 11). Электролит в нагревателе обжимается диэлектрическими стенками на дистанции H до диаметра выходного сопла Dk. Скорость электролита увеличивается пропорционально отношению площади отверстий в аноде и площади сопла.

Схема электролитно-плазменного нагревателя

Рис. 11. Схема электролитно-плазменного нагревателя

Основные затраты энергии идут на испарение и нагрев электролита (формирование плазменного слоя) и нагрев поверхности изделия электрическими разрядами. Стоимость оборудования для ЭПУ ниже чем, оборудования для закалки ТВЧ в 5…10 раз, при одной и той же производительности упрочнения поверхности.

Упрочнение достигается за счет образования на изнашиваемых поверхностях изделия твердых включений, которые обеспечивают повышенное сопротивление абразивному износу и разрушению при знакопеременных динамических нагрузках (рис. 12). Твердые включения на поверхности изделия, толщиной 2…10 мм, противостоят абразивному износу, а не упрочненные промежутки между ними служат для релаксации напряжений.

Технология рекомендуется для упрочнения шеек валов, например, коренных и шатунных шеек коленчатого вала и поверхностей буровых труб.

Диаграмма распределения твердости после ЭПУ

Рис. 12. Диаграмма распределения твердости и размещение локальных твердых участков на поверхности цилиндрического изделия после ЭПУ: В – длина развертки; X и Y – характерные размеры закаленных участков поверхности

После электролитно-плазменного упрочнения, рабочая поверхность – шейка вала – имеет твердые включения в виде выпуклых прямоугольных линз, которые периодически чередуются с мягкими плоскими впадинами.

При передаче нагрузки на вал, его поверхность нагревается неравномерно, благодаря наличию теплового барьера по границе твердости. Это приводит к расширению материала твердой линзы и его выпучивания. Нагрузку воспринимают выпуклые участки поверхности валка, которые более твердые и износостойкие. Между выпуклостями сформированы впадины, которые в зависимости от режимов нагружения могут иметь глубину до 30 мкм при ширине 10…20 мм. Эти впадины содержат масло, а стенки впадин являются гидродинамическими клиньями.

При перемещении поверхности вала относительно сопрягаемой детали (вкладыша), на поверхности микроклиньев возникает гидродинамическая подъемная сила, пропорциональная скорости скольжения и углу подъема клина. Суммарная подъемная сила всех микро клиньев даже при низких скоростях больше физической нагрузки на вал, что гарантирует образование смазочного слоя и безызносный режим работы вала (рис 13).

схема рельефа неровностей, образующегося после упрочнения

Рис. 13. Принципиальная схема рельефа неровностей, образующегося после упрочнения

Предложенная конструкция поверхности шеек валов имеет следующие достоинства:

  1. упругость передачи функциональной нагрузки на поверхность вкладыша;
  2. демпфирование вибрационных нагрузок;
  3. обеспечение жидкостного трения даже при небольших скоростях перемещения;
  4. исключение разрыва разделительной жидкостной пленки и непосредственного контакта трущихся поверхностей при импульсных нагрузках;
  5. увеличение фактической площади контакта и за счет этого теплоотвода.

При электролитно-плазменном упрочнении поверхности изделия из стали 40 на поверхности образуется система твердых участков твердостью до HRC 55. Участки могут иметь форму круга, квадрата или овала. Система твердых включений (рис. 12) обеспечивает гидродинамическое трение, воспринимает износные нагрузки и обеспечивает сжимающие напряжения в поверхностном слое. Благодаря сжимающим напряжениям, допустимая нагрузка на изделие из стали 45 повышается на 30…40 %. Скругленный рельеф поверхности снижает потери на трение в 1,5…2 раза.

Мягкие участки поверхности обеспечивают релаксацию напряжений, образующихся при эксплуатации. Промежутки между закаленными участками имеют низкую твердость, что повышает прочность изделия.

Изменяя режимы упрочняющей обработки, можно получить на поверхности закаленные слои толщиной 0,5, 1,5, 4, 6, 7, 8 и 9 мм (рис 14). При времени нагрева 30 с толщина закаленного слоя составляет 4 мм, в течение 70 с – 9 мм. В качестве электролита используют 13 % водный раствор карбоната натрия. Максимальная твердость поверхностного слоя (900 кг/мм2) практически не зависит от толщины упрочненного слоя.

Твердость закаленного слоя на поверхности сплава железоуглерод в зависимости от толщины упрочненного слоя

Рис. 14. Твердость закаленного слоя на поверхности сплава железоуглерод (0,50 % С) в зависимости от толщины упрочненного слоя при напряжении электрического потенциала Uп = 200 В и времени нагрева t: 1 – 5 с; 2 – 15 с; 3 – 30 с; 4 – 40 с; 5 – 50 с; 6 – 60 с; 7 – 70 с Твердость упрочненного слоя изделия с увеличением его толщины плавно уменьшается от максимальной (900 кг/мм2) к твердости основы (250…300 кг/мм2) и, как правило, не зависит от времени нагрева.

Технология ЭПУ использована для упрочнения коленчатого вала и бурильной трубы. В зависимости от технологических требований и размеров изделия электролитный нагреватель должен обеспечивать поверхностный нагрев и закалку в виде прямоугольника с характерными размерами, равными 20 и 50 мм. При нагреве до температуры фазовых превращений, выдержке 5…15 с и охлаждении электролитом, в поверхности изделия образуются твердые включения в виде выпуклых прямоугольных линз 20×50 мм, максимальная глубина включения твердой линзы в поверхность до 10 мм.

Для обработки изделий изготовлена установка ЭПУ (рис. 15), которая состоит из специализированных навесных нагревателей 2, пульта управления 3, источника электрического питания 4, бака 6 с насосной станцией 5 и вращателя 7, в котором фиксируется цилиндрическая деталь 1.

Схема установки для электролитно-плазменной упрочняющей обработки цилиндрических изделий типа коленчатый вал (буровая штанга)

Рис. 15. Схема установки для электролитно-плазменной упрочняющей обработки цилиндрических изделий типа коленчатый вал (буровая штанга): 1 – деталь, 2 – навесные нагреватели, 3 – пульт управления, 4 – источник электрического питания, 5 – насосная станция, 6 – бак для электролита, 7 – вращатель

Изделие фиксируют в манипуляторе 7, нагреватель 2 устанавливают на упрочняемую поверхность детали 1 и по команде с пульта управления 3 производят ее периодический нагрев и охлаждение. В процессе периодического повторения технологии «нагрев – охлаждение – поворот» на поверхности изделия формируется система твердых включений в виде прямоугольных линз.

На рис. 16 приведен вид навесного устройства для ЭПУ внешней поверхности буровой штанги (замка, муфты). Система твердых (до HRC 60) включений в изнашиваемой поверхности трубы буровой штанги обеспечивает повышение износостойкости поверхности и прочности.

Навесное устройство для упрочняющей обработки цилиндрических деталей

Рис. 16. Навесное устройство для упрочняющей обработки цилиндрических деталей

Промышленные испытания, проведенные в Ингулецком ГОК (г. Кривой Рог) показали, что долговечность буровых штанг станка СБШ-250 МНА возросла в 2…3 раза. Производительность технологии ЭПУ буровых штанг составляет до 5 м погонных трубы в час при установленной мощности преобразователя электрической энергии 40 кВА.

ЭПУ обеспечивает скорость нагрева и охлаждения поверхности изделия в диапазоне 10…500 °С/с, и термоциклическую обработку (закалку) локальных участков поверхности изделий на глубину от 0,3 до 10 мм. Твердость участков поверхности на стали с содержанием углерода до 50 % повышается до 900 кг/мм2.

Оборудование для ЭПУ комплектуется из стандартных манипуляторов (вращателей) и преобразователей электрической энергии, а нестандартное оборудование (нагреватели и пульт управления) изготавливают навесным, съемным и переносным. Опыт промышленного использования и оборудования подтвердили высокую эффективность ЭПУ.

Технология ЭПУ является перспективной для упрочнения и повышения долговечности шеек опорных валков рабочих клетей прокатных станов, работающих в сопряжении с подшипниками скольжения.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *