Прогрессивные технологии и оборудование термической обработки цементуемых деталей горных машин

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;

• >    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 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 СН 4 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

	Ацетилен
Цена газа	3 х пропан
Проц. газопотребления	0,5 х пропан
Постоянство	значительно лучше
Тех. обслуживание	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).

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.

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, N 2 , He, H 2 )

• c)    Статическим газом (Ar, N 2 )

• 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

Таблица 2

Сравнение достоинств и недостатков закалки маслом и газом

Параметр	Масло	Газ
Интенсивность закалки	Очень высокая, но диапазон изменения очень маленький	Ниже, но очень гибкая в широком диапазоне
Однородность закалки	Всегда имеет разброс	Высокая и зависит от однородности газового потока
Безопасность	Опасность пожара и выброса паров масла	Не пожароопасна и не вредна
Шум	Не высокий	Высокий в моменты подачи газа и его выброса
Интегрирование в производственный цикл	Сложности из-за правил безопасности	Просто, за исключением кратковременного шума
Защита окружающей среды	Опасность загрязнения маслом и высокая цена по утилизации отходов	Дружественна          к окружающей среде
Использование оборудования	Средняя нагрузка	Высокая, особенно для высоких давлений
Мойка деталей	Обязательна для очистки от масла	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;

• >    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.