Файл: Никберг И.М. Оптимальная долговечность оборудования металлургических предприятий.pdf

280°С и время выдержки 20—25 мин. Этот режим следу­ ет считать оптимальным для ножей •холодной резки ме­ талла толщиной не более 20 мм, изготовленных из стали 5ХВ2С. Результаты эксплуатационных испытаний пока> зали, что стойкость ножей холодной резки, обработанных, по оптимальному режиму изотермической закалки, в; 2—2,5 раза выше стойкости ножей, прошедших обычную» термическую обработку. Таким образом, одним из эф­ фективных способов получения высокопрочного материа­ ла с малой чувствительностью к надрезу является изо­ термическая закалка на бейнит.

Электролизное борирование

Метод электролизного борирования нашел примене­ ние на многих машиностроительных предприятиях. В ма­ шиностроении борированию подвергают втулки и штоки буровых насосов, опоры буровых долот, сегменты, шлюзы, решетки, втулки пневмомоторов, пальцы тракторных гу­ сениц, детали прессформ, штампы и многие другие де­ тали.

Электролизное борирование представляет собой про­ цесс химико-термической обработки, при котором по­ верхность стальных или чугунных деталей насыщается бором в результате электролиза расплавленной буры. Для этого применяют техническую буру I или II сорта,

Атомарный бор, выделяясь при высокой температуре на сильно активированной поверхности стальной или чу­ гунной детали, диссоциирует внутрь, образуя бориды же­ леза.

Наличие боридов в поверхностном слое обусловлива­ ет высокую микротвердость поверхности деталей — в пре­ делах 13—25 ГН/м2 (1300—2500 кгс/мм2), что значитель­ но увеличивает их износостойкость, особенно в условиях абразивного изнашивания. Величина твердости борированной поверхности сохраняется при нагреве до 750— 800°С. . ,

Исследование износостойкости борироваяного слоя рбразцов из низколегированных сталей 12ХНЗА и 80ХГСА, а также .из углеродистых сталей 35, 40 и 45 в ус­ ловиях абразивного износа показало, что она выше изно­ состойкости цементированных образцов в среднем на 60% и вь?ше износостойкости нез^каленных образцов в

12 раз.

142

Производственные испытания деталей, упрочненных способом электролизного борирования и работающих в условиях абразивного изнашивания, показали, что изно­ состойкость некоторых из них, например втулок буровых насосов, получилась в 3—5 раз выше, чем втулок, изго­ товленных из стали У7-Л и закаленных при нагреве то­ ками высокой частоты. По сравнению с незакаленньгми втулками износостойкость изготовленных образцов ока­ залась повышенной в 8—10 раз.

Несмотря на высокую эффективность, электролизное борирование в металлургии еще не получило широкого распространения. На тех немногих предприятиях, где о.но применяется, борированию подвергаются звездочки тран­ спортеров, срок службы которых увеличивается в 1,6 ра­ за, фильеры автоматической резки проволоки, срок служ­ бы которых увеличивается в 2,2 раза, пальцы цепей шлеппера с увеличением срока их службы в 3 раза и ряд других деталей (ролики линеек прокатных станов, роли­ ки калибровочных трубных станов высокочастотной свар­ ки, звездочки шлифовальных устройств, оправки холод­ ного волочения труб, конусы прокатных станов бесшов­ ных труб и т. д.) .

•Высокая эффективность электролизного борирования в машиностроении, а также положительный опыт приме­ нения этого способа в условиях металлургического про­ изводства дают основание для более широкого внедрения его при выборе оптимальных методов упрочнения дета­ лей металлургического оборудования.

Ниже приведены данные, характеризующие оборудо­ вание, аппаратуру, технологические режимы и материа­ лы, которые следует применять при борировании деталей металлургического оборудования.

Электролизное борирование производится на спеши альной установке, в состав которой входят тигельная печь — ванна обычного типа, источник постоянного тока и щит управления установкой.

Процесс борирования целесообразно, проводить в шахтной печи типа Ц со стандартной толщиной кладки. Температура кожуха такой печи обычно достигает 100°С. Для улучшения тепловой изоляции кладку печи следует увеличить по толщине настолько, чтобы температура ко­ жуха не превышала 60°С.

Тигли для установок электролизного борирования применяются литые или сварные из жароупорной стали

143

марки Х28, которая обеспечивает их наибольшую стой­ кость. При отсутствии такой стали тигель может быть отлит из жароупорной стали Х25Н25 или др. Размеры печи и тигля выбирают в зависимости от габаритов борируемых изделий с учетом результатов проведенных ис­ следований и производственных испытаний.

Для электролизного борирования необходим источ­ ник постоянного тока, в качестве которого могут быть ис­ пользованы мотор-генераторные преобразователи, а также выпрямители— газотронные кулроксные, ртутные, селеновые или кремниевые, если они обеспечивают воз­ можность длительной эксплуатации при напряжении на выводных клеммах 12—15 В и силе токе, необходимой дляполучения плотности борируемой поверхности 0,1— 0,2 А/см2.

Этим требованиям соответствуют мотор-генератор­ ные преобразователи типа АНД 250/500, АНД 750/500 и АНД 2500/5000, а также выпрямители типа ВКТ-100А, ВАГГ-12-600, ВКГ-Ю0М, ВСА-ЗА, ВСА-6М и ВК'200.

Источники постоянного тока необходимо выбирать в зависимости от-размеров борируемых деталей и тиглей. Для борирования небольших деталей в условиях штучно­ го и мелкосерийного производства целесообразно приме­ нение купроксных или селеновых выпрямителей.

С целью предотвращения быстрого разъедания тигля расплавленной бурой применяют катодную защиту, т. е. используют тигель в качестве катода.

На тигель можно "подавать ток как от источника, к которому присоединена деталь, так и от отдельного ис­ точника постоянного тока, что более удобно.

Сила тока защиты должна быть рассчитана, исходя из удельной плотности 0,08—0,1 А/см2 площади дна и бо­ ковой поверхности тигля, находящейся в расплавленной буре. По мере повышения уровня расплавленной буры увеличивают силу тока защиты. Применение процесса борирования возможно при условии строгого соблюдения термического и электрического режимов. Пусковые, ре­ гулировочные и контрольные приборы для регулирования и контроля режимов процесса должны быть смонтирова­ ны на общей панели.

Для обеспечения возможности регулирования величи­ ны выпрямленного тока подачу тока осуществляют в за­ висимости от вида выпрямителя через регуляторы на-пря-' жепия типа АТСК, РНО или РНТ.

144

Для автоматического регулирования температуры пе­ чи применяют щиты управления типа ЩУ или ЩНТ.

Электроды и борируемые детали погружают в ванну в подвешенном состоянии с помощью специальных при­ способлений. Каждое приспособление состоит из прива­ ренного к корпусу печи штыря с прикрепленным к нему кронштейном, приспособленным для горизонтального и вертикального перемещения поперек и вдоль штыря, а также для вращательного движения вокруг него.

На кронштейне укрепляется штанга с нарезкой в нижней части. Число устанавливаемых кронштейнов со штангами зависит от величины ванны и размеров борируемых деталей.

Для получения равномерного по толщине борированного слоя электроды должны быть соответствующим об­ разом размещены по отношению к борируемой детали. Поэтому к нескольким штангам ввинчивают графитовые или угольные электроды, а к остальным штангам прикре­ пляют борируемые детали на специальных подвесках.

■Вкачестве материала для изготовления спиралей для обогрева тигля-ванны обычно применяют сплавы Х20Н80, ЭН595 и ЭН626. Электродами при проведении процесса борирования служат графитовые стержни (ГОСТ 4426—71) диаметрами 78, 50, 30 и 20 мм или угольные стержни (ГОСТ 4425—62) диаметрами 20, 15, 13, 10 и 8 мм.

Преимуществом графитовых электродов является их повышенная стойкость по сравнению с угольными.

Для электролизного борирования применяется кри­ сталлическая техническая бура (ГОСТ 8429—69), пред­ ставляющая собой белый мелкокристаллический поро­ шок. При плавлении бура теряет - кристаллизационную воду и частично термически диссоциирует, что и обуслов­ ливает ее электропроводность.

Борируемые детали и части приспособления, к кото­ рым они прикрепляются для погружения в расплавлен­ ную буру, должны быть предварительно просушены и обезжирены, так как наличие влаги может вызвать взрыв и выброс расплавленной буры из тигля. Загрузка их про-: изводится после 5-мин сушки. Обезжиривание деталей обычно производится промывкой в авиационном бензине. Приспособления для крепления деталей должны иметь хороший контакт с проводом от источника постоянного тока, а также с самими деталями.

145

Детали, подготовленные для борирования, необходи­ мо загружать в ванну плавно, без рывков, при темпера­ туре электролита 950°С.

Сила тока в цепи основного электролиза устанавли­ вается из расчета 0,2—0,3 А/см2 поверхности деталей и приспособлений, находящейся в электролите.

Сила тока в цепи катодной защиты устанавливается из расчета 0,005—0,01 А/см2 поверхности тигля, находя­ щейся в электролите.

Напряжение в цепи основного электролиза и в цепи катодной защиты должно находиться в пределах 2—8 В.

■Время выдержки при электролизном борировании считается с момента установления постоянного темпера­ турного и электрического режимов. Оптимальной про­ должительностью процесса для стали малоуглеродистых и среднеуглеродистых марок считается 2—4 ч. Начало процесса борирования характеризуется появлением ин­ тенсивного бурления в межэлектродных зазорах с обра­ зованием желтоватых вспышек на зеркале ванны.

Качество борированного слоя зависит от ряда факто­ ров: температуры электролита и времени выдержки в нем деталей; плотности подаваемого на детали и в тигель тока; внутреннего напряжения и чистоты поверхности де­ талей; качества материала (кристаллической буры и электродов, применяемых при борировании); расстояний между деталями и электродами, а также между элек­ тродами и тиглем. При разработке оптимального режима борирования в конкретных производственных условиях необходимо предварительно провести исследования воз­ можных изменений качества борироваиной поверхности в зависимости от основных параметров процесса: темпе­ ратуры и времени электролиза, а также влияния плотно­ сти тока на твердость, глубину борированного слоя и ми­ кротвердость. Параметры других перечисленных выше факторов могут быть приняты на основании имеющегося опыта из практики работы аналогичных установок и ли­ тературных источников. На основе исследования влияния различных параметров процесса на качество борирован­ ного слоя оптимальным режимом борирования можно считать: температура ванны 950°С, плотность тока 0,2 А/см2 поверхности борируемых деталей и приспособ­ лений, находящихся в электролите, время выдержки 2—

4 ч.

Очевидно, что вследствие относительной хрупкости

146

вирированного слоя возможность применения способа электролизного борирования для упрочнения деталей, ра­ ботающих в условиях значительных удельных давлений или ударных нагрузок, исключается.

Тем не менее имеется значительное-количество дета­ лей металлургического оборудования, работающих в ус­ ловиях воздействия абразивной среды, борирование ко­ торых может дать значительный экономический эффект.

К таким деталям относятся втулки, валики и ролики цепей различных конвейеров, пропуски и проводки про­ катных станов, сопла гидросбива окалины, лопатки экс­ гаустеров и многие другие.

В табл. 23 приведены результаты производственных испытаний некоторых борнрованных деталей.

В связи с тем что пальцы цепей Цоболя и фрикцион­ ные диски токарно-винторезных станов испытывают зна­ чительные удельные давления, после борирования эти де­ тали подвергали термической обработке для создания твердого подслоя. Температурный режим закалки и ох­ лаждающая среда были приняты в соответствии с мар­ кой стали, из которой изготовлены детали: температура закалки 850—860°С, охлаждающая среда — вода.

Для предупреждения возможностей образования тре­ щин вследствие различия коэффициентов линейного рас­ ширения борированного слоя и основного металла с по­

147

вышением температуры до 500°С детали нагревали мед­ ленно.

Дляснятия внутренних напряжений после закалки детали были подвергнуты отпуску при 180—200°С в те­ чение 2 ч.

Таким образом, результаты практического примене­ ния электролизного борирования для упрочнения ряда деталей металлургического оборудования характеризуют высокую эффективность этого метода.

Электромеханическая обработка

За последние годы в машиностроении получил срав­ нительно широкое распространение метод упрочнения де­ талей .машин путем электромеханического сглаживания или электромеханической обработки (ЭМО).

Сущность его заключается в том, что при контакте инструмента с изделием через них проходит ток большой силы н низкого напряжения, вследствие чего выступаю­ щие гребешки поверхности детали, подвергаясь нагреву до высокой температуры, под давлением инструмента де­ формируются и сглаживаются.

Новым в этом методе является сочетание известного многие годы пластического деформирования обкаткой роликом с тепловым воздействием электрического тока па упрочняемую поверхность. Сочетание тепловых и си­ ловых воздействий на поверхностный слой резко изменя­ ет его структуру, твердость, внутренние напряжения, со­ противление износу и шероховатость поверхности. Таким образом, электромеханическую обработку или сглажи­ вание можно рассматривать как термомеханическую об­ работку поверхностного слоя.

Электромеханическую обработку (упрочнение, сгла­ живание, восстановление) производят на токарных стан­ ках с электроконтактным устройством в патроне и инди­ каторным приспособлением на суппорте станка. С по­ мощью индикаторного приспособления ' устанавливают определенное давление на деталь. Источником электри­ ческого тока служит понижающий трансформатор. Один конец вторичной обмотки трансформатора подводят к электроконтактному устройству, а второй конец присое­ диняют к инструменту, укрепленному в резцедержателе станка (рис. 11). Электрический режим регулируют по­ средством изменения коэффициента трансформации.

148

Признаком правильности выбранного режима может служить наличие красного каления в зоне контакта. Пуск и выключение трансформатора производят от маг­ нитного пускателя. Включать ток следует после того, как инструмент вошел в контакт с изделием, а выключать —

Рис. 11. Схема электромеханической обработки де­ тали:

/ — о б р а б а т ы в а е м а я д е т а л ь ; 2— з а д н я я б а б к а с т а н к а ; 3 — и н стр у м ен т ; 4— р у б и л 1н н к ; 5 — р е о с т а т ; 6— вто р и ч н ая о б ­

м о т к а т р а н с ф о р м а т о р а ; 7 — п атр о н

перед отводом инструмента. Несоблюдение этих правил может повлечь за собой искрение и быстрый износ рабо­ чей поверхности инструмента. Исследованиями установ лено, что ЭМО повышает износоустойчивость конструк­ ционных нормализованных сталей в 4—9 раз. В черной металлургии впервые этот метод упрочнения деталей был применен на Череповецком металлургическом заводе. В процессе его внедрения было установлено преимущество использования в качестве сглаживающего инструмента ролика'вместо ранее применявшихся пластинок.

Практический опыт этого завода показал, что упроч­ нение посадочных мест осей, валов и других деталей ци­ линдрической формы, служащих для передачи крутяще­ го момента, с успехом может быть произведено способом электромеханической обработки. Применение этого спо­ соба весьма эффективно для окончательной обработки шеек валков прокатных станов.

Наглядным примером его эффективности могут слу­ жить также результаты электромеханической обработки шеек ротора электродвигателя сечением 130X270 мм с ротором длиной 2225 мм, изготовленным из стали Ст.5. При ранее применявшемся способе чистовой обработки шеек ротора полированием чистота обработанной поверх­ ности, как правило, соответствовала V7 (ГОСТ 2789—59). После электромеханической обработки (по ре-

149

жиму / = 400 А; П=163 м/мин; S —0,5 мм/об) чистота поверхности достигла V8—V9 при исходной чистоте после механической обработки V4—V5. При этом про­ изводительность обработки увеличилась более чем в 2 раза.

Преимущества электромеханической обработки по сравнению с другими способами упрочнения деталей сле­ дующие:

возможность обработки не только стальных, но и чу­ гунных деталей. Проведенными исследованиями установ­ лено, что в результате электромеханической обработки чугуна при соответствующих режимах чистота поверхно­ сти достигает V8—V9 (ГОСТ 2789—59), т. е. повышает­ ся на 3—4 класса по сравнению с чистотой поверхности, полученной после обработки резцом, а износостойкость чугуна увеличивается более чем в 2 раза;

легирование и закалка стали, содержащей 0,6% и более углерода, почти не влияют на ее твердость. ЭМО позволяет уменьшить долю остаточного аустенита, что должно способствовать повышению твердости и других прочностных характеристик высокоуглеродистой стали;

применение ЭМО может быть эффективным также для деталей, изготовленных из малоуглеродистой стали с содержанием углерода до 0,2 %• Ввиду малой устойчи­ вости аустенита в этой стали необходимы очень высокие скорости охлаждения после нагрева выше точки Ас3 — до 2600 град/с. В производственных условиях при закалке даже сравнительно мелких деталей такая скорость обыч­ но считалась недостижимой, в связи с чем малоуглероди­

стая сталь не подверга-

Л