УДК 621.785.532 Сураева Анастасия Юрьевна студент группы ТМ-2-07 Научный руководитель: Шубина Нелли Борисовна

УДК 621.785.532
Сураева Анастасия Юрьевна
студент группы ТМ-2-07
Научный руководитель: Шубина Нелли Борисовна
доц., к.т.н.
Московский государственный горный университет
ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ
ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЦЕМЕНТУЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ
ГОРНЫХ МАШИН
PROGRESSIVE TECHNOLOGIES AND THE EQUIPMENT OF HEAT
TREATMENT OF CARBURIZED PARTS OF MINING MACHINES
Тяжелонагруженные детали, работающие в условиях высоких
циклических, изгибных и контактных нагрузок, удара и износа,
подвергают химико-термической обработке (ХТО) – цементации,
нитроцементации. Долговечность этих деталей зависит от их качества, в
значительной мере определяемого технологией изготовления и
оборудованием.
Взаимосвязь
условий эксплуатации, качества деталей и
производственного процесса их изготовления можно представить в виде
пересечения множеств (рис. 1).
Рис. 1. Взаимосвязь условий эксплуатации, качества деталей и
производственного процесса их изготовления [1].
Качество деталей, подвергнутых ХТО определяется следующими
показателями:
 твердость поверхности и сердцевины;
 структура поверхностного слоя и сердцевины;
1
 глубина насыщения;
 концентрация насыщаемых элементов на поверхности и их
распределение от поверхности и сердцевины;
 точность размеров и точность формы деталей после ХТО
Дальнейшее повышение требований условий эксплуатации
к
качеству деталей к технико-экономической эффективности производства
диктует необходимость дальнейшего совершенствования технологий и
оборудования.
Основные требования к совершенствованию технологий ХТО:
 повышение атмосферного потенциала;
 обеспечение точности размеров и формы деталей после ХТО с
целью исключения последующей обработки;
 получения цементованного слоя в глухих отверстиях;
 оптимизация диффузионных процессов с целью надежной
повторяемости результатов;
 ужесточение требований по экологичности производственных
процессов;
 высокоэффективный отвод тепла при закалке.
Широко применявшиеся до настоящего времени традиционные
процессы цементации в среде природного газа при давлении в печи 300400 мб с последующей закалкой в масло не обеспечивали постоянства
результатов ХТО, имели место высокий расход газов и большое
количество горючего обработанного газа, загрязняющего окружающую
среду и требующего дополнительной энергии для его дожигания, в
рабочем пространстве печи скапливалось большое количество сажи; кроме
того, закалка в масло приводила к существенному
короблению
(деформации) деталей.
В настоящее время получили применение процессы ионной
цементации [4], нитроцементации, азотирования в вакуумных печах в
плазме тлеющего разряда. В основе этих процессов лежит метод активации
тлеющим разрядом газовой среды и обрабатываемой поверхности,
происходит ионизация газовой среды, давление в печи находиться в
пределах 10 мб. Ионизированная атмосфера обладает высокой
насыщаемой
способностью,
обеспечивает
высокое
качество
диффузионного слоя. Высокая кинетическая энергия ионов углерода
приводит к сокращению времени цементации в 1,5 – 2 раза.
В обычных цементационных печах
выбор рабочих газов и
регулирование концентрации углерода являются весьма сложным
вопросом. А цементация вакумно-ионным способом позволяет достаточно
легко и точно контролировать глубину науглероживания концентрацию
2
углерода в поверхностном слое путем регулирования плотности тока
разряда при постоянстве расхода и давления газов в зависимости от
производительности.
Так как детали нагреваются в вакууме, с их поверхности удаляются
оксиды, детали не нуждаются в дополнительной очистке.
Внедрение процесса цементации в тлеющем разряде позволило
сократить расход электроэнергии и цементующей среды, улучшить
экологию процесса.
Для защиты от цементации резьбовых и других поверхностей
появилась возможность использовать металлические экраны взамен
трудоемких процессов меднения и защитных обмазок. Все это позволило
снизить производственные затраты в 4 – 5 раз.
Тем не менее , процесс вакуумной цементации с использованием
метана в качестве газовой среды, разработанный в конце 70-х годов, не
получил широкого применения из-за низкой скорости диссоциации СН4
при t 950°С и необходимости повешения до температур 1100 °С. Высокая
температура процесса приводила к увеличению размера зерна и для его
измельчения требовалась дополнительная обработка термоциклированием.
Этих недостатков лишена вакуумная цементация в ацетилене,
который активно диссоциирует на поверхности стальных деталей при
давлении в печи 4 – 15 мб и температуре 950 °С. [2, 5]
Таблица 1.
Цена газа
Проц. газопотребления
Постоянство
Тех. обслуживание
Ацетилен
3 х пропан
0,5 х пропан
значительно лучше
значительно ниже
Наилучший результат получен при циклической подаче газа –
чередовании активных и пассивных стадий, при постоянном давлении
(рис. 2) и особенно при пульсирующем давлении (рис. 3).
3
Рис. 2. Цикл с постоянным давлением [1].
Рис. 3. Цикл с пульсирующим давлением [1].
Существенным достоинством применения в качестве карбюризатора
ацетилена является безопасность процесса и простота процесса
обеспечения временного процесса подачи ацетилена.
4
Эффективность
процесса
повысило
также
применение
циркуляционного метода ХТО (реверсируемое движение газовой среды).
[3]
Большое
значение
для
обеспечения
качества
деталей,
подвергающихся ХТО, имеет обеспечение высокоэффективного отвода
тепла при закалке.
Существующие системы охлаждения:
a) Принудительно-циркулирующим маслом
b) газом высокого давления (Ar, N2, He, H2)
c) Статическим газом (Ar, N2)
d) В вакууме
Анализ систем охлаждения показал, что охлаждение в газовых
средах при высоком давлении (15-20 бар) имеет большие преимущества
(рис.4). [1]
Рис. 4. Достоинства охлаждения в газе [1].
Однако требуется соответствующая модернизация печей, при этом
наибольшая эффективность достигается в холодных камерах закалки.
• Способ подачи газа
• Градиент давления по времени охлаждения
• Охлаждение газа закалки
• Тип теплоотражающих и теплоабсорбирующих поверхностей
5
Таблица 2.
Сравнение достоинств и недостатков закалки маслом и газом
Параметр
Масло
Газ
Интенсивность
закалки
Очень высокая, но Ниже, но очень гибкая в
диапазон
изменения широком диапазоне
очень маленький
Однородность
закалки
Всегда имеет разброс
Безопасность
Опасность пожара и Не пожароопасна и не
выброса паров масла
вредна
Шум
Не высокий
Высокая и зависит от
однородности газового
потока
Высокий в моменты
подачи газа и его
выброса
Интегрирование
в Сложности
из-за Просто, за исключением
производственный
правил безопасности
кратковременного шума
цикл
Защита окружающей Опасность загрязнения Дружественна
среды
маслом и высокая цена окружающей среде
по утилизации отходов
Использование
оборудования
Средняя нагрузка
Мойка деталей
Обязательна
очистки от масла
к
Высокая, особенно для
высоких давлений
для Не требуется
Основные направления совершенствования оборудования:
 ускоренный нагрев (высокая скорость теплопереноса) для
уменьшения времени процесса;
 высокоэффективная теплоизоляция;
 возможность обеспечения реверсируемого движения газовой
среды;
 возможность обеспечения «гибких» технологий;
 возможность закалки в газовых средах при давлении 10 -15 бар;
 интеграция в общий технологический цикл;
 энергосбережение;
6
 надежность
 оптимальные соотношения эффективность/ стоимость.
Выводы
1. Детали горных машин работают в тяжелых условиях
эксплуатации, однако большинство деталей, подвергаемых химикотермической обработке, не отвечают в полной мере предъявляемых к ним
требованиям.
2. Необходимо исключать традиционные технологии ХТО и
ориентировать термические цехи заводов машиностроения на внедрение
новых процессов. В том числе вакумно-ионную цементацию при
пониженном давлении с использованием в качестве карбюризатора
ацетилена с циклической реверсируемой подачей газовой среды и
последующей закалкой в холодной камере газом под давлением до 20 бар.
3. При выборе оборудования, учитывая достаточно многочисленные
предложения на этом рынке, целесообразно руководствоваться
рекомендациями, представленными в настоящей работе.
1.
2.
3.
4.
5.
Литература
21 st Century Technical Overview. Презентация фирмы Ipsen. – M.,
2009.
Kula P., Olejnik J., Kowalewski J., New vacuum carburizing
technology. – Heat treatment progress, 2001, v.1, n. 1
Yrafen W., Sdenhofer B. Acetylene low-pressure carburizing – a novel
and superior carburizing technology. – Heat treatment progress, 1999,
v.26, w. 4.
Арзамасов Б.Н. Циркуляционный метод химико-термической
обработки. – Металловедение и термическая обработка металлов,
№6, 2004.
Рыжов Н.М. и др. Особенности вакуумной цементации,
теплостойкость стали в ацетилене. – Металловедение и
термическая обработка металлов, №6, 2004.
Аннотация
Рассмотрены состояние технологических процессов цементации
деталей горных машин, существующие прогрессивные процессы и
оборудование для цементации. Приведены требования к оборудованию для
формирования требуемых показателей качества цементуемых деталей
горных машин.
Ключевые слова
процессы цементации, оборудование для цементации, горное
машиностроение, показатели качества
7