CC BY
51
тания деталей, восстановленных с помощью исследованных порошков методом магнитно-электрического упрочнения, позволяют рекомендовать новые композиционные порошки из отходов производства дроби для создания функциональных износостойких покрытий.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Пантелеенко, Ф. И. СДЛП на железной основе и защитные покрытия из них / Ф. И. Пантелеенко. - Минск: УП «Технопринт», 2001. - 300 с.
2. Любецкий, С. Н. Разработка технологии диффузионного легирования железных порошков и получение наплавленных износостойких покрытий: автореф. ... канд. техн. наук: 05.16.01 / С. Н. Любецкий; БПИ. - Минск,
1991. - 20 с.
3. Константинов, В. М. Разработка самофлюсующихся наплавочных материалов на железной основе и защитных покрытий из них специализированного назначения с использованием металлоотходов: автореф. ... канд. техн. наук: 05.16.01 / В. М. Константинов; БГПА. - Минск,
1992. - 20 с.
4. Проходцев, М. М. Технология получения металлического порошка из отходов подшипникового производства и свойства порошковых компактных материалов / М. М. Проходцев, Е. Я. Зайцева, Л. Д. Лучкина // Совершенствование процессов термической обработки деталей подшипников: тр. ин-та № 1 (III) ВНИИПИИ / Специализир. информцентр подшипниковой пром-сти. - М., 1982. - С. 92-99.
5. Получение антифрикционных и фрикционных материалов из отходов металлообработки / А. В. Колубаев [и др.] // Трение и износ. - 2003. - Т. 24, № 5. - С. 558-563.
6. Жураковский, В. М. Организация трансформируемой структуры и обеспечение заданных свойств графит-содержащей стали: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.02.01 / В. М. Жураковский. - Минск, 1985.
7. Криштал, М. А. Механизм диффузии в железных сплавах / М. А. Криштал. - М.: Металлургия, 1972. - 400 с.
Поступила 20.01.2009
> 6г LS ХНЕ
4 ~6т 3 -4т
1-Зт ¡<Г1т 5ХИМ
УДК 621.785.68
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ШТАМПОВ
Канд. техн. наук ГЛАЗКОВ Л. А., докт техн. наук ЖЕЛУДКЕВИЧ М. С инж. ЖИЛЯНИНД. Л., ТАБУЛИНА. А., ТАРБАЕВ В. В.
Белорусский национальный технический университет, Институт тепло- и массообмена НАН Беларуси
Штамповые стали должны соответствовать определенным эксплуатационным, технологическим и экономическим требованиям.
Для изготовления крупногабаритных штампов применяются заготовки из сталей 5ХНМ, 5ХНВ, которые стали в соответствии с классификацией, принятой в СССР (СНГ) и США [1], относятся к группе штамповых сталей повышенной прокаливаемости (диаметр - 50-80 мм). Они закаливаются на мартенситную структуру
при охлаждении в масле и горячих средах. Эта классификация относится к прокаливаемости на твердость до НRC 60. При потребности обеспечить твердость до 40-45 НRС сталь типа 5ХНМ является сталью высокой прокаливаемо-сти (закаливается на мартенсит даже при охлаждении на воздухе).
Для определения качества термической обработки штампа используется оценочный критерий, позволяющий быстро и качественно установить
прогнозируемую стойкость - твердость. Зависимость ударной вязкости от твердости для стали 5ХНМ при температуре закалки 850 °С приведена на рис. 1 [1]. Поэтому, используя данные о видах износа (разгарные трещины при большой твердости и истирание при малой), можно определить наиболее целесообразную с точки зрения стойкости твердость. Рекомендуемая твердость для сталей 5ХНМ в зависимости от массы падающих частей представлена на рис. 1.
Для сталей 5ХНМ и 5ХНВ оптимальный температурный интервал под закалку составляет 850-880 °С [1]. Получаемая твердость после закалки - 61-53 НRC для стали 5ХНВ и 62-63 НRС - для стали 5ХНМ при охлаждении в масле. В случае охлаждения стали 5ХНМ на воздухе твердость достигает 56-58 НRС. Величина зерна аустенита, получаемого в данном интервале температур, составляет 8-12 баллов.
16
28 32 36 40 44 48 НЯС
аи,
МДж 1. Зависимость ударной вязкости от твердости м2 • 10 для сталей 5ХНМ, 5ХНВ [1]
10
Закончив нагрев, штампы закаливают в масле: погружают в бак, производят их покачивание, а6затем оставляют висеть при включенной циркуляции масла. Общее время выдержки штамп4а в закалочном баке, по данным [1], составляет 13-17 мин на каждые 100 мм наимен ьшего размера штампов. Важно, чтобы темпер0 атура масла не превышала 70 °С, а температура штампов при охлаждении не опускалась ниже 150-200 °С.
Частым приемом является предварительное подстуживание на воздухе, охлаждая штампы до температуры 700-750 °С (в зависимости от размера время выдержки составляет 15-20 мин [1]) с последующим охлаждением в масле. Подстуживание позволяет снизить напряжение при закалке и предотвратить образование трещин.
Охлаждение в масле крупногабаритных штампов массой 1,0-1,5 т и более не позволяет получить высокие твердость и прокаливае-мость, а также требует большого расхода масла. Водовоздушная смесь позволяет устранить эти недостатки, поскольку возможно изменение
охлаждающей способности в зависимости от размеров штампа и требуемой толщины закаленного слоя. Согласно [2] штампы охлаждают смесью до потемнения поверхности (400-500 °С), а затем - только сжатым воздухом до 300 °С и после этого сразу нагревают для отпуска.
Отпуск штампов производится сразу после закалки (разрыв во времени 0,5-2,0 ч). Наиболее часто применяемой схемой отпуска является двукратный отпуск: сначала отпускается штамп целиком до получения закалочной твердости гравюры, а затем в специальной печи происходит отпуск хвостовика. Реже применяется однократный отпуск, при котором одновременно происходят отпуск хвостовика штампа на пониженную твердость и отпуск гравюры штампа на высокую твердость. Отпуск хвостовика не производят в том случае, если штамп закаливают на пониженную твердость - не более 30-33ЖС.
В процессе разработки технологического процесса были проведены исследования по подбору оптимального соотношения «вода -воздух» в смеси. В основу были положены данные, взятые из графиков на рис. 2 и 3 [3]. При этом для отработки отдельных элементов была изготовлена установка для закалки малогабаритных штамповых вставок.
Рис. 2. Влияние давления воздуха на скорость охлаждения: —♦--скорость охлаждения при 600 °С; —■--
то же при 400 °С
Проведенные исследования показали, что для деталей различных размеров возможно подобрать такой режим подачи воды и воздуха, чтобы скорость охлаждения полностью соответствовала объемной закалке в масле. Кроме того, легко достижимы режимы различной скорости охлаждения отдельных поверхностей заготовки (гравюра и хвостовик) или варьирования скорости в зависимости от температуры.
Эти режимы были опробованы на опытной установке с непрерывной подачей водовоздуш-ной смеси. Термообработанные штамповые вставки полностью соответствовали требованиям чертежа и успешно отработали положенный
ресурс в КТЦ МТЗ.
g 50
8 40
ц я 30
Й S
IР20
§ 10
ср
§ 0 -----
" 10 40 70 100 130 160
Расход воды, л/ч
Рис. 3. Влияние степени увлажнения воздуха на скорость
охлаждения водовоздушной смесью: —♦--на глубине
20 мм; —■--на глубине 125 мм; а также при объемной
закалке в масле: - -Д---на глубине 20 мм; - ---на глубине 125 мм
Закалка в водовоздушной смеси позволяет обеспечить требуемые прокаливаемость и твердость крупногабаритных штампов, а также простоту кожухов для случая закалки хвостовика с меньшей скоростью охлаждения.
При разработке нового технологического процесса закалки крупногабаритных штампов с помощью водовоздушной смеси за основу был взят существующий на предприятии технологический процесс (длительность отдельных операций варьируется в зависимости от размера закаливаемого штампа): закалка - отпуск - отпуск хвостовика. Закалка включает в себя следующие подоперации: загрузку при температуре 450 °С (время выдержки - 2,5 ч), подогрев до температуры 650-700 °С (время - 4-5 ч), нагрев до температуры 860-20 °С в течение 8-10 ч, под-стуживание на воздухе до 750 °С (5-10 мин), охлаждение в масляном баке (время охлаждения - 2 ч). Отпуск штампа производится в три стадии: загрузка при температуре 300-350 °С (время выдержки - 4-5 ч), нагрев в течение 9,0-15,5 ч при температуре 500-600 °С (в зависимости от марки стали и требуемой твердости штампа), охлаждение на воздухе. Отпуск хвостовика производится следующим образом: нагрев до температуры 680-700 °С в течение 4-5 ч и последующее охлаждение на воздухе.
Размеры термообрабатываемых штампов: от 300x350x350 до 1500x1000x1000 мм.
Существующий технологический процесс требует наличия газовой печи для закалки и отпуска, печи-плиты для отпуска хвостовика и масляной ванны с системами перемешивания и отвода паров. Время термической обработки одного штампа составляет 63,5-85,0 ч в зависимости от размера закаливаемого штампа.
Таким образом, поставлены основные задачи, которые необходимо было решить при разработке нового техпроцесса: уменьшение времени термообработки, снижение расхода энергоресурсов (природного газа и минерального масла) и устранение пожароопасности процесса. Для решения этих задач в качестве закалочной среды использовали водовоздушную смесь.
Предварительно проведенные исследования показали, что водовоздушная смесь в качестве закалочной среды обладает неоспоримыми преимуществами перед минеральным маслом или эмульсиями типа «масло в воде» или «вода в масле». Так, образцы из штамповых сталей, термообработанные с помощью водовоздушной смеси, имели ту же структуру, что и закаленные в минеральном масле, чего не всегда удавалось добиться при использовании эмульсий. К тому же при эксплуатации происходило постоянное выпаривание масла из эмульсий, что вызывало практически те же расходы на их восстановление, что и при использовании минерального масла. За счет варьирования в процессе охлаждения количества и направления струй водовоздушной смеси можно достигнуть регулируемого процесса охлаждения. При этом легко получается требуемая скорость охлаждения в требуемый момент времени. Применение направленной закалки водовоздушной смесью позволяет охлаждать различные поверхности (стороны) деталей с различной скоростью. Это позволяет отказаться от некоторых операций -отпуска хвостовика и во многих случаях - отпуска штампа в целом. Поскольку крупногабаритные молотовые штампы обладают большой массой и, следовательно, теплоемкостью, возможно импульсное охлаждение детали - водо-воздушная смесь подается периодически. При этом поверхностный слой детали охлаждается с
01 В основу проектируемого технологического5 процесса положен способ закалки штампа по одной (рабочей) плоскости. По сравнению с вариантом объемной водовоздушной закалки данный принцип позволяет исключить отпуск штампа, а также уменьшить время процесса закалки и размеры установки.
Разработанный технологический процесс состоит из следующих операций: нагрева, закалки и выравнивания (осреднение) температуры. Нагрев полностью идентичен ранее существующему технологическому процессу: загрузка при температуре 450 °С (время выдержки - 2,5 ч), подогрев до температуры 650-700 °С (время - 4-5 ч), нагрев до температуры 860-20 °С в течение 8-10 ч. Закалка осуществляется с помощью водовоздушной смеси на специальной установке по ранее введенной программе в течение 20-60 мин. Выравнивание (осреднение) температуры производится в два перехода: после извлечения детали из установки ее устанавливают в теплоизолирующий кожух-экран или печь, имеющую температуру окружающей среды, и выдерживают в течение 1,5-3,0 ч; далее деталь выдерживается 15-20 ч на спокойном воздухе (бессквозняковом пространстве).
В Ы В О Д Ы
Преимуществом нового технологического процесса является отсутствие операций отпуска штампа и отпуска хвостовика штампа. Удаление этих операций позволяет уменьшить время проведения технологического процесса практически вдвое: с 63,5-85,0 до 31,5-41,5 ч. Новый технологический процесс позволил демонтировать печь-плиту. Время работы основной печи с выдвижным подом во включенном режиме (при температурах от 450 до 800 °С) уменьшилось с 23,5-33,0 до 14,5-17,5 ч. Это позволяет сэкономить 290 м3 природного газа на каждом штампе массой 1,5 т. Еще одним положительным эффектом является отсутствие
да минерального масла в процессе закал, также устранение ванны для закалки. омия сырой нефти составляет 0,25 т на одну0 ■ ®закалку штампа массой 1,5 т. Дополнительным экономическим эффектом является практически полная пожаробезопасность разработанного технологического процесса: при закалке в масле в случае ошибки персонала высока вероятность воспламенения масла при извлечении штампа. Обычно это вызывало несколько аварийных ситуаций в год, в том числе одну-две с вызовом пожарных бригад. Кроме того, следует отметить улучшение экологической ситуации, поскольку при закалке не происходит испарение нефтепродуктов в атмосферу.
Несмотря на необходимость подачи сжатого воздуха и малую потребность в электроэнергии ранее существующего технологического процесса, потребность в электроэнергии уменьшилась более чем на 10 кВт-ч на один штамп: так как для нового технологического процесса не требуется вытяжная вентиляция большой мощности, а также отсутствует перемешивание масла в процессе закалки.
Время окупаемости разработанного технологического процесса вместе с установкой составляет 1,5-2,0 года в зависимости от напряженности производственной программы (10001500 штампов в год).
Технологический процесс разрабатывался в НИИЛ «Гидропневмосистем и нефтепродуктов» БНТУ в рамках ГНТП «Ресурсосбережение». Внедрение технологического процесса произведено на Минском заводе специального инструмента и технологической оснастки.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Штампы для горячего деформирования металлов; под ред. М. А. Тылкина. - М.: Высш. шк., 1977. - 496 с.
2. Геллер, Ю. А. Инструментальные стали / Ю. А. Геллер. - М.: Металлургия, 1975. - 584 с.
3. Закалка водовоздушной смесью / М. Е. Блантер [и др.] // МиТОМ. - 1958. - № 12. - С. 29-31.
Поступила 10.10.2008
