ООО ЭЛИСИТ
Лидер России 2015 - Продукция отмечена золотой медалью конкурса качества - Установки индукционного нагрева "TESLINE"

Индукционный нагрев ТВЧ :: Статьи


Закалка в управляемом потоке масла

Дата публикации: 14.03.2009

 

Закалка - один из самых древних и наиболее широко известных процессов термообработки. Однако, несмотря на кажущуюся простоту процесса и обилие материала в справочной литературе, термист-практик подчас сталкивается с серьезными проблемами. Особенно часто это происходит при освоении новой продукции или при повышении требований к качеству продукции. Закалить болт М22 из стали 40Х на твердость 40-45 HRC — не проблема. Обеспечить при этом прочность по 10-му классу при производительности 120 кг/час — уже под вопросом.

Заказать установку ТВЧ для закалки можно по тел./факс +7(3822) 21-19-78    или   info@tesline.ru

   Оба эти параметра — и рост требований, и повышение гибкости производства — являются сегодня непременными атрибутами нашей жизни. Цель данной работы — используя многолетний опыт, дать термисту-практику в новых условиях гибкий и надежный инструмент, обеспечивающий достаточно простое решение сложных вопросов. Стратегический принцип компании «Накал» — обеспечивать заказчика комплектным оборудованием для термообработки, сопровождаемым надежным технологическим обеспечением. Закалочные баки — немаловажная составная часть комплектного оборудования.

Постановка задачи и выбор решения

   Для большинства средне- и экономно легированных сталей наибольший интерес представляет закалка на масло, и наиболее распространено индустриальное И-20А. Однако наличие массы нерешенных вопросов в практике закалки привело к поиску различных путей решения. Бурное развитие некоторое время назад получили синтетические закалочные среды — водные растворы полимеров. В штучном производстве при наличии мастерства и заинтересованности термиста результаты получались прекрасные. Термист сам чувствует, когда и насколько надо скорректировать закалочный раствор, какие детали и до какой степени подрагивания крючка или клешей надо «качать», а когда положить. Задача усложняется уже при мелкосерийном производстве, когда вес садки деталей для закалки достигает 200-300 кг. И это при сменной работе персонала на фоне общего падения квалификации кадров. Здесь нужна практически ежедневная корректировка раствора, и не на глаз, а с помошью специальной аппаратуры. В противном случае достаточно легко получить как низкую твердость, так и трещины с неприемлемыми деформациями. Стоимость подобной аппаратуры начинается от 100 тысяч рублей. Обязательное условие — наличие обученного персонала, способного с высокой степенью надежности интерпретировать результаты испытаний и предпринять правильные действия. Подобные решения доступны далеко не всем, и технолог-термист зачастую остается один на один с масляным баком, «пятнистыми» деталями и справочником термиста.

   Из курса технологии термообработки нам известно: основная задача при закалке на масло — это снятие паровой рубашки с поверхности деталей. Справочник рекомендует обычно три решения: барботаж сжатым воздухом, возвратно-поступательное перемещение садки в масле и масляный насос. Если имеется компрессорная, выбирают первое решение. Если нет, ставят насос для циркуляции — НШ-40 или НШ-100. Если ни того ни другого — остается «произвол» термиста, работающего на тельфере. Однако первые два пути имеют свои подводные камни.
   Сколько дать сжатого воздуха и в какое место бака, в зависимости от конфигурации садки совершенно не однозначно. Закаливающая способность бурно «кипящего» масла снижается — воздух прекрасный теплоизолятор. Доступные масляные насосы, обеспечивая высокое давление, чаше всего не имеют нужных нам показателей по производительности, и опять же неоднозначно, как направить поток на садку деталей. Немало важно и то, что абсолютно герметичных насосов / по приемлемой цене не существует, и проблема борьбы с подсеканием масла.
   Решение между тем существует. Универсальные печи, проходные толкательные агрегаты, CHUA, пекаты, холкрофты, конструкции ЗИЛ и т.п. Все они имели мешалки масла в закалочных баках. Конечно, проблемы были, но несоизмеримо меньшие, чем при других вариантах. Основным направлением были поиск и разработка новых закалочных масел с целью расширения температурного интервала в порядке борьбы с деформациями.

   Сложилась уникальная ситуация: крупные предприятия, имеюшие прекрасные закалочные баки в линиях термообработки, зачастую не работают на полную мощность, а малые и средние предприятия, быстро развивающиеся в условиях растущей децентрализации и специализации производства, не имеют возможности использовать подобное оборудование. Чаше всего для большинства термистов доступны шахтные и камерные нагревательные электропечи. И не только ввиду стоимости собственно оборудования. Инженерная обвязка универсальной печи с встроенным закалочным баком, агрегатированной в комплексе с моечной машиной и отпускными печами, стоит неизмеримо больше.
   Одно из условий, принятое во внимание при принятии решения, состоит в том, что наш закалочный бак должен быть гибким инструментом. Немногие наши партнеры могут сказать, что они калят одну и ту же деталь каждый день в течение года. Растут номенклатура деталей и количество обрабатываемых марок сталей.
   Общее решение: наш бак должен иметь мешалку с возможностью регулирования потока масла, т.е. управляемый потокообразователь закалочного масла. В этом случае технолог должен иметь возможность легко регулировать процесс закалки. Например, на тонких деталях, где нет проблем с прокаливаемостью, создавать меньший поток для снижения деформаций, на деталях большего сечения увеличивать поток для обеспечения снятия паровой рубашки. Серьезная проблема — обеспечение равномерного снятия паровой рубашки на деталях, загружаемых в оснастку «навалом».

   Всем этим условиям удовлетворяет одна из идей первой половины 70-х годов, прошедшая, по странному стечению обстоятельств, незамеченной широкой общественностью термистов. Причина, возможно, кроется в том, что именно в этот период набирало темпы всеобщее увлечение водными растворами полимеров.
   Однако в технической литературе встречались теоретические разработки, доказывавшие очевидную истину: именно ламинарный поток закалочной среды обеспечивает равномерное удаление паровой рубашки с поверхности обрабатываемых деталей. Линейная скорость потока определяет скорость охлаждения и получаемый при закалке результат. Линейная скорость потока определяется соотношением ламинарной и турбулентной составляющих. Повышение турбулентности потока ведет к снижению его ламинарности и линейной скорости. Для специалиста по плотинам, турбинам и вообще гидродинамике это очевидные, прописные истины. В приложении к технологии, имеющей двухтысячелетнюю историю, они звучат как откровения.

   В течение последних 20 лет автором данной работы идея реализовывалась при модернизации оборудования на 12 объектах и с обязательным положительным результатом. Доведение же до серийного продукта в отсутствие объективной потребности и производственной базы не представлялось целесообразным.

Методика испытаний и обсуждение результатов

   В порядке инициативных исследовательских и опытно-конструкторских работ компании был изготовлен масляный закалочный бак объемом 700 л. Бак был оснащен системой регулирования температуры: нагреватели ТЭН мощностью 16 кВт, термометр сопротивления градуировки Pt100, регулятор «Термодат-10». При превышении температуры включался насос охлаждения НШ-40, перекачивающий масло через водоохлаждаемый теплообменник.

 

Закалочная ванна

   Для создания управляемого потока масла бак был оснащен 4-лопастной крыльчаткой, установленной за специальной перегородкой. Крыльчатка имела привод от асинхронного двигателя переменного тока мощностью 4 кВт и с максимальным числом оборотов 930 об/мин (рис. 1). Для управления двигателем использовали фазочастотный преобразователь. Это обеспечивало возможность плавного либо ступенчатого изменения числа оборотов и, соответственно, скорости потока закалочного масла.
Испытания проводили на индустриальном масле И-20А. Рабочей температурой был выбран интервал 50-70 °С.

   Первичные испытания методом замера движения масла в потоке показали, что с увеличением числа оборотов скорость потока растет (рис. 2).
   Как видно из приведенных результатов, в диапазоне от 200 до 500 об/мин имеется практически прямо пропорциональная линейная зависимость скорости потока от скорости вращения крыльчатки. Интересна и достигаемая с двигателем 4 кВт при 600 об/мин скорость потока 8 мУмин. Закономерен вопрос: каких размеров насос может это обеспечить? С повышением скорости врашения крыльчатки характер роста скорости потока меняется, прирост скорости потока с увеличением числа оборотов уменьшается, что косвенно свидетельствует об изменении характера потока масла. Для качественной оценки явления были проведены замеры гидростатического давления потока масла. Измерения проводились посредством погруженной в поток трубки, соединенной с U-образным водным манометром. Результаты приведены на рис. 3.
   Как видно из приведенных результатов, при достижении и превышении 550-600 об/мин практически не меняются как скорость, так и давление потока масла.


Были проведены замеры распределения давления по сечению бака при различной частоте вращения крыльчатки. До 600 об/мин разница в давлении в разных точках потока практически не наблюдалась. С превышением указанной величины разница давления по разным точкам замера достигала 500 Па, наблюдались точки с давлением, равным атмосферному.

изменение скорости потока закалочного масла

   Естественно, следует вывод о переходе потока масла из преимущественно ламинарного в турбулентный при превышении частотой врашения величины 600 об/мин. Для рассматриваемой задачи — получения управляемого закалочного устройства с равномерными и повторимыми результатами — предположительно был необходим интервал именно преимущественно ламинарного потока.
   Таким образом, для натурных испытаний управляемого потокообразователя был выбран диапазон частоты вращения крыльчатки 100-600 об/мин.
Испытания свойств устройства проводили при закалке деталей из стали 40Х в виде пластин толщиной 16 мм и с габаритами 120X200 мм. Детали загружались в жаропрочную корзину диаметром 550 мм, высотой 400 мм. Суммарная загрузка составляла 140 кг, с учетом корзины масса садки составляла 180 кг. Между деталями размешали образцы-свидетели из сталей 40Х и 30ХГСА диаметром 30 мм и длиной 50 мм. Пластины укладывались вертикально, с обеспечением возможности их омывания потоком масла, при этом в целях полной загрузки касание пластин не исключали.

изменение давления в потоке масла

   Нагрев под закалку проводили в шахтной электропечи СШиМ-6,6/9,5 с защитной атмосферой, температура нагрева — 860 °С, выдержка — 30 минут по достижении температуры. Время выдержки установили контрольным замером с помощью погружной термопары на первой садке и в дальнейшем не меняли. Перенос садки на закалку осуществлялся электротельфером, время переноса составляло в среднем 10 сек. Температура масла в момент погружения деталей составляла 50 °С, при 60 °С включался насос охлаждения масла, в дальнейшем температура масла поднималась до 70 °С, далее снижалась до установленной. Закалку опытных садок проводили при частоте вращения крыльчатки 15, 250, 350, 450 и 550 об/мин.

Изменение твердости поверхности

   На поперечных шлифах образцов-свидетелей и выборочно деталей оценивали микроструктуры и изменение твердости по сечению. Измерение твердости проводили на твердомере «Роквелл» с нагрузкой 150 кгс. Микроструктуру оценивали после травления 5-проиентным спиртовым раствором НNОз при увеличении в 400 крат. По результатам экспериментов можно сказать, что, твердость поверхности стали 40Х с увеличением числа оборотов растет до 54 HRC при 450 об/мин и далее не меняется. Твердость поверхности стали 30ХГСА растет с увеличением числа оборотов до 350 об/мин, далее несколько снижается.
   Анализ микроструктуры (рис. 7, 8) объясняет снижение микротвердости от поверхности к сердцевине. Во всех случаях имеет место появление все большего количества феррита. Его исключение путем подбора оптимальных характеристик работы потокообразователя позволяет обеспечить сквозную закалку с гомогенной твердостью и высокие прочностные характеристики деталей.

микроструктура стали 40Х

   Интересен также результат по зависимости твердости от скорости потока закалочного масла: для стали 40Х оптимальный диапазон 450-550 об/мин, а для стали 30ХГСА — 350 об/мин.
Обращают на себя внимание также непривычно высокие для данных марок сталей величины твердости.
Представляется, что обнаруженные эффекты должны быть темой более подробного изучения с привлечением тонких методов исследования.

Микроструктура стали 40Х после закалки

   В целом испытания показали оправданность сделанного выбора. Созданный потокообразователь обеспечивает быструю, с минимальным набором измерительных средств и за минимальное время, отладку и оптимизацию процесса закалки для каждой марки стали в зависимости от конфигурации деталей и вида оснастки. В дальнейшем один раз отработанная технология обеспечивает высокую степень повторимости результатов.
Применяемый фазочастотный преобразователь показал высокую надежность в работе, простоту настройки и гибкость в управлении. Управление скоростью вращения осуществляется либо потенциометром с контролем установленной величины, либо набором тумблеров на заранее запрограммированные частоты. При этом предусматривается возможность дежурного режима — медленное перемешивание масла при разогреве для исключения локального перегрева в зоне расположения нагревателей.

   В течение года эксплуатации на собственном термическом производстве практически не имелось проблем с заниженной или неравномерной твердостью деталей после закалки.
Компания, исходя из стратегической линии на комплексное и максимально полное обеспечение требований заказчиков, приступила к комплектации серийных масляных ванн (масляных закалочных баков) управляемым потокообразователем закалочного масла.

В. Я. Сыропятов, Е. В. Ильичев. ЗАО «НПК " Накал "»


 Источник информации: Журнал "Техномир"

Назад

Поиск

RSS ЭЛИСИТ 

Последние новости

23.05.2017
Индукционный нагреватель твч, установка твч индукционного нагрева,  закалка твч,  пайка, печь твч, термообработка ... Лучшая компания России
Компания "ТЕСЛАЙН ИНДАКТИВ" награждена почетной медалью «Национальный знак качества. Выбор России» в рейтинге "ЛУЧШАЯ КОМПАНИЯ РОССИИ — 2016" ...
Подробнее...

09.01.2017
Индукционный нагреватель твч, установка твч индукционного нагрева,  закалка твч,  пайка, печь твч, термообработка ... Модернизированная китайская установка
Инженерами ТЕСЛАЙН выполнен ремонт и модернизация установки индукционного нагрева мощностью 60кВт в двухблочном исполнении производства КНР (Китай)
Подробнее...

20.07.2016
Индукционный нагреватель твч, установка твч индукционного нагрева,  закалка твч,  пайка, печь твч, термообработка ... Услуга закалки ТВЧ
Услуги закалки ТВЧ деталей в новом цехе на производственной площадке ООО "ТЕСЛАЙН ИНДАКТИВ", г.Томск. Выполнение срочных заказов.
Подробнее...

Фотостена

Индукционный нагрев, установки ТВЧ индукционного нагрева, печи ТВЧ, индукционный нагреватель

Индукционная пайка ТВЧ установка

ТВЧ закалка трубы индуктор