Термическая обработка металлов: наука и практика

8-9 ноября 2012 г. ГК «ФИНВАЛ» совместно с МГТУ им. Н.Э. Баумана и Московским региональным отделением Союза машиностроителей России провело двухдневный семинар по теме: «Прогрессивные технологии термообработки и обработки металлов давлением». Подобные мероприятия собирают ученых и практиков производства, предоставляя возможность обмена опытом, обсуждения актуальных вопросов и проблем.

Первый день работы семинара был посвящен оборудованию и технологиям термической обработки металлов. Специалисты компании «ФИНВАЛ», занимающейся поставками металлообрабатывающего оборудования ведущих мировых брендов, рассказали о технологии закалки изделий и путях обеспечения стабильного качества при закалке в масле в условиях вакуума. Методы поверхностного упрочнения стальных деталей, упрочнение и восстановление деталей методами дуговой пайки, наплавки в вакууме и другие вопросы были изложены в докладах представителей МГТУ им. Н.Э.Баумана.

Термическая обработка металлов

Технология вакуумной закалки в масле

Закалка является одной из основных технологических операций в обработке изделий из стали для придания им требуемых свойств. На сегодняшний день известно несколько закалочных сред: вода, водные растворы полимеров, газ, воздух, соли. В зависимости от марки стали и ожидаемых результатов в промышленности для закалки все чаще используется масло. Компания BMI (Франция), продукцию которой представляет на российском рынке ГК «ФИНВАЛ», уже более 30 лет занимается производством вакуумных печей для разных видов термической обработки, в т.ч. закалки в масле.

Технология вакуумной закалки в масле, по сравнению с классической технологией в условиях окислительной атмосферы, имеет ряд преимуществ. Во-первых, позволяет регулировать скорость охлаждения и получать заданную структуру поверхностного слоя детали с высоким качеством обработки. После закаливания поверхность детали остается чистой и светлой. Во-вторых, обеспечивает высокую производительность, при этом сокращается расход электроэнергии, отсутствует угар закалочного масла, которое длительный срок сохраняет свои свойства. Кроме того, отсутствует загрязнение производственных помещений, отпадает необходимость в их принудительной вентиляции.

Одно из основных преимуществ технологии закалки в вакууме – точный контроль параметров охлаждения. Это обеспечивается за счет возможности предварительного подогрева масла до +80ºС. Подогретое масло способно быстрее проникать в отверстия или пространство между мелкими деталями в садке, что способствует равномерному охлаждению садки по всему объему. Когда масло начинает закипать, его принудительно перемешивают. На завершающей стадии охлаждения, когда масло уже достаточно прогрелось, для соблюдения необходимой скорости охлаждения, избыток тепла отводится с помощью теплообменника, установленного в масляном баке.

Компании BMI производит широкий модельный ряд вакуумных печей для закалки в масле. Горизонтальные однокамерные печи для закалки в масле серии В5_ТН имеют небольшие размеры рабочей камеры, поэтому обрабатывать в них можно только небольшие детали. Но, кроме закалки, в них можно осуществлять химико-термическую обработку (цементацию и карбонитрирование).

Термическая обработка металлов

В горизонтальных двухкамерных печах серии В6_ТН можно производить закалку широкой гаммы марок стали, которые закаливаются как в масле, так и в газе, а также химико-термическую обработку. В печах В6_ТН в камере нагрева и в камере охлаждения можно устанавливать диффузионные насосы и обрабатывать более активные металлы, например, сплавы на основе титана. Но эти печи также имеют ограничения по размеру обрабатываемых деталей.

Горизонтальные двухкамерные печи Р16_ТН для закалки как в газе, так и масле, является более универсальными по сравнению с печами двух предыдущих серий. От печей серии В6_ТН они отличаются большими размерами рабочей камеры. Кроме того, в камере нагрева печей Р16_ТН установлена система конвективного нагрева, что позволяет точно контролировать температуру нагрева начиная от +200ºС.

Вертикальные двухкамерные печи V6_TH для закалки в масле и газе позволяют обрабатывать детали в вертикальном положении.

Упрочнение и восстановление деталей газовых турбин дуговой пайкой в вакууме

Развитие любой промышленной отрасли базируется на фундаментальных разработках ученых. К таким разработкам относится и технология применения локальной дуговой пайки в вакууме лопаток газовых турбин, разработанная учеными МГТУ им. Н.Э. Баумана.

К качеству лопаток предъявляются очень жесткие требования, которые не допускают даже единичных поверхностных дефектов глубиной 0,2-0,4 мм и площадью свыше 1-2 м². В силу тяжелых условий эксплуатации лопатки газовых турбин (ГТ) быстро изнашиваются, а замена таких поврежденных деталей приводит к значительным материальным и производственным затратам. Ремонт поверхностей лопаток турбины для продления их ресурса как в процессе эксплуатации, так и на стадии их изготовления, является актуальной производственной и экономической задачей.

В настоящее для ремонта лопаток и других деталей горячего тракта ГТ широко применяют высокотемпературную пайку в вакууме общим нагревом. Но этот метод имеет ряд ограничений, связанных с высокой энергоемкостью и длительностью процесса пайки. Кроме того, длительность нагрева лопаток приводит к изменению структуры поверхностного слоя, что отрицательно влияет на эксплуатационные характеристики.

Для расширения технологических возможностей и повышения эффективности процесса высокотемпературной пайки в вакууме малоразмерных соединений на деталях типа лопаток (герметизация знаковых отверстий, восстановление форм и размеров локальных участков, исправления поверхностных дефектов и т.д.) была разработана технология высокотемпературной пайки в вакууме с локальным нагревом. В качестве источника энергии использовался дуговой разряд с полым катодом (ДРПК) в вакууме. ДРПК на токах свыше 60 А характеризуется высокой концентрацией энергии на аноде (до 50 000 Вт/см²). Исследования тепловых характеристик ДРПК показали его высокую эффективность и технологическую гибкость как локального источника энергии.

К основным преимуществам локального нагрева ДРПК в вакууме для пайки можно отнести: плавность регулирования скорости нагрева в широких пределах, возможность получения зоны нагрева различной площади и конфигурации, высокую универсальность процесса, а также его стабильность в широком диапазоне давлений в камере от 10 до 1х10ˉ² Па и ниже.

Результаты металлографических исследований и механических испытаний паяных соединений, полученных при ремонте поверхностных дефектов на сопловых лопатках дуговой пайкой порошковыми композиционными припоями, показали высокую износостойкость, как правило, превышающую работоспособность соединений, полученных при ремонте аналогичных дефектов высокотемпературной пайкой в вакууме с общим нагревом.

Повышение износостойкости деталей трения на основе метода деформирующего резания

В МГТУ им. Н.Э. Баумана ведутся исследования нового метода формообразования – деформирующего резания (ДР). Метод и инструмент для его реализации запатентованы в России, на Украине, в США и в восьми странах Европы. Метод дважды удостаивался золотых медалей и дипломов выставки и салона изобретений в Брюсселе и Женеве.

Технология деформирующего резания (ДР) основана на процессе частичного срезания припуска и целенаправленного пластического деформирования подрезанного поверхностного слоя. Образующаяся при ДР стружка не отделяется полностью от заготовки, а сохраняет с ней связь по своей узкой стороне, образуя на обработанной поверхности детали развитый макрорельеф. Технология ДР позволяет получать макрорельеф в виде ребер, шипов, ячеек, выступов треугольного профиля на таких материалах как медь, алюминий и их сплавы, титан, стали, пластмассы, а также на других пластичных материалах с возможностью увеличения площади поверхности после обработки до 14 раз.

Метод ДР применим для решения очень широкого круга задач: получения развитых поверхностей для изготовления деталей теплообменников и композиционных покрытий на основе микрощелевых матриц, восстановления размеров изношенных деталей машин, подготовки поверхностей под нанесение покрытий, деформационного упрочнения и др.

Получение композиционных покрытий основано на создании поверхностной микрощелевой матрицы в виде системы мелкошаговых узких (шириной 5-100 мкм) глубоких канавок, с последующей традиционной химико-термической обработкой (азотирование, нитроцементация, борирование и др.). В результате этого получается композиционная структура с вертикальным расположением упрочняющих слоев. Канавки либо заращиваются в процессе диффузионного насыщения, либо заполняются твердыми или жидкими смазками. При низкой себестоимости и минимальных затратах на освоение производства композиционная структура обладает повышенной износо- и задиростойкостью. При этом свойства покрытия остаются одинаковыми по всей толщине.

Деформационное упрочнение обеспечивает повышение твердости поверхностного слоя в 1,5-2 раза на глубину до нескольких миллиметров. В отличие от других видов, у деформационного упрочнения отсутствует экспоненциальное уменьшение твердости по толщине упрочненного слоя. Такой метод может использоваться для деталей из незакаливаемых материалов или стальных деталей больших габаритов.

Одно из новых направлений в развитии технологии ДР связано с возникновением при токарной обработке в зоне резания высоких температур. Разработчики технологии нашли способ использовать температурный эффект для изменения структурного состояния подрезаемого слоя и за счет этого значительно увеличить его твердость.

Текст Ольга Леонтьева

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.