Технология импульсного закалочного охлаждения жидкостью для упрочнения деталей

ТЕХНОЛОГИЯ ИМПУЛЬСНОГО ЗАКАЛОЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЖИДКОСТЬЮ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ

Г.Ф. Бетеня, канд. техн. наук, доцент (БГАТУ); Л.А Маринич, зам. министра с.х. и продоволь-
ствия Респ. Беларусь (МСХП Респ. Беларусь); Г.И. Анискович, канд. техн. наук, доцент,  
П.А. Декевич, научн. сотр., Д.П. Литовчик, научн. сотр., С.Н. Рогожинский, И.Г. Лемеза,  
С.И. Шунько, аспиранты (БГАТУ)

Аннотация
Приведены технологические  аспекты  упрочнения  деталей  из  сталей  пониженной  прокаливаемо-
сти (55ПП, 60ПП) с применением термической обработки. Показано, что технология импульсного зака-
лочного охлаждения жидкостью (ТИЗОЖ) позволяет формировать мелкозернистую структуру, являю-
щуюся основой повышения конструкционной прочности и износостойкости деталей.
The technological aspects of the hardening of parts made of steels of low hardenability (55PP, 60PP) using
thermal treatment is given. It is shown that the technology allows you to create IZOZH fine-grained structure, the
basis of the strength and wear resistance.

Ведение

Термическая обработка (закалка + отпуск)  является  наиболее  распространенным  и  эффективным
технологическим  методом  повышения  конструкционной прочности и износостойкости сменных деталей
рабочих  органов  сельскохозяйственных  машин (ДРОМ)  при  их  изготовлении [1].
При  этом,  в  отличие  от  термомеханической  обработки (ТМО),  не требуется  применение  дорогосто-
ящего  специального  технологического оборудования. В последние  годы  при  производстве ДРОМ получила примене-
ние  технология импульсного  закалочного  охлаждения  жидкостью (ТИЗОЖ.  Она  применяется  для объёмно-поверхностной  закалки
сменных  ДРОМ,  преимущественно  изготавливаемых  из  сталей  пониженной  прокаливаемости.  По аналогии  с  традиционными  мето-
дами  термической  обработки ТИЗОЖ  включает  три  основных этапа:  нагрев;  изотермическую выдержку; охлаждение заготовок в
заданных  параметрах  этих  режимов. Технологическая  схема упрочнения  деталей  с  применением  ТИЗОЖ  разрабатывалась  для
условий  печного  нагрева  заготовок. Стадия  нагрева  стальных  заготовок  до  температуры  аустенитной  области  при  использовании  печей сопротивления  протекает  в  реальных  условиях  от исходной комнатной температуры со скоростью 1,5 ...2,5°С/с.  В  этой  связи  на  технологической  схеме упрочнения  стальных  заготовок  с  использованием ТИЗОЖ предшествуют две стадии: стадия нагрева до
температуры  аустенизации;  стадия  выдержки  при температуре аустенизации. Данная схема представлена на рис. 1.
Известно,  что  качество  термической  обработки ДРОМ  предопределяют  структурные  факторы:  вид внутреннего  структурного  строения;  балл  зерна структуры закалки [2-4]. В этой связи меняются критерии  выбора  технологий  производства  сменных
ДРОМ,  в  том  числе  и  технологий  их  термической обработки. При  разработке  технологических  процессов термического упрочнения ДРОМ должны обеспечиваться:  сочетание  высоких  эксплуатационных
свойств (прочности,  твёрдости  и  ударной  вязкости);
технологическая  простота  метода;  
автоматический контроль  исполнения  заданных  параметров  нагрева,
аустенизации и охлаждения;
высокий уровень производительности,  ресурсосбережение;  требуемое  каче-
ство  и  износостойкость;  использование  конструкционных  нелегированных  сталей;  
экономическая  эффективность;  отсутствие  факторов  техногенного  загрязнения окружающей среды.  

Основная часть

Методика проведения исследования

При  разработке  методики  экспериментальных работ и  создания  экспериментальной  установки  учитывались  технические  решения,  получившие  применение в практике термической обработки и изложенные  в  литературных  источниках [3,4].  Для  термиче-
ской  обработки  изделий  из  сталей  пониженной  прокаливаемости [2,3]  с  применением  управляемого  интенсивного  теплоотвода  апробированы  методы струйного  закалочного  охлаждения (рис. 2а),  либо охлаждения в потоке жидкости (рис. 2б).
Основной задачей закалочного охлаждения является  обеспечение  оптимальных  параметров  подачи
охлаждающей  среды  на  закаливаемую  поверхность,предотвращение  закалочных  пятен,  деформаций,  коробления  и  трещин.  В  обоих  вариантах  закалочного охлаждения жидкостью обеспечиваются:
– постоянное омывание охлаждаемых  поверхностей изделия новыми  порциями жидкости;
– возможность создания равномерного омывания поверхности изделия;
–  регулирование  и  управление  длительностью цикла охлаждения.
Для изучения охлаждающей способности потока жидкости и закалочных сред использовались плоские образцы. Спрейерные  устройства (рис. 2а)  или  закалочные устройства (рис. 2б) для охлаждения потоком жидкости,  обозначенные  на  принципиальной  схеме (рис. 3),  являются  сменными  и  взаимозаменяемыми исполнительными  элементами  ТИЗОЖ.  Принципиальная схема ТИЗОЖ представлена на рис. 3.
Из  рис. 3  следует,  что  техническое  обеспечение ТИЗОЖ  включает  функционирование  взаимосвязанных технических средств, с помощью которых реализуются:  
–  импульсная  подача  охлаждающей жидкости  к закалочному устройству;
– управление продолжительностью технологического цикла охлаждения;  
– управление в автоматическом режиме работой бустерных насосов.  
Дополнительно система закалочного охлаждения может  технически  оснащаться  средствами  для  поддержания  температуры  жидкости  в  заданном  интервале. Любая конструкция системы  закалочного охлаждения  должна  обеспечивать  реализацию  и  воспроизводимость оптимальных  технологических параметров термического цикла. Их оценка должна быть связана с показателями качества изделия. На первое ме
сто среди  этих показателей ставится структурное  состояние  металла  изделия,  приобретаемое  в  процессе термической обработки.
Наряду  с  этим,  учитывалось,  что  техническое оснащение рабочих мест для осуществления технологии  термической обработки должно комплектоваться современным  технологическим  оборудованием  для печного  или  индукционного  нагрева,  оснащенного приборами  автоматического  контроля  и  регулирования технологическими режимами. В статье приводятся  результаты  исследования  технологии  закалочного охлаждения  в  потоке  жидкости  изделий  из  стали 55ПП, 60ПП,  нагрев  которых  осуществлялся  в  печи сопротивления  ПКМ3.6.2/11,5.  Температура  нагрева контролировалась микропроцессорным контроллером «ТЕРМОДАТ-14».  Точность  измерения  температуры
нагрева образцов составляла ±2°.

Результаты исследований и их анализ На  рис. 4  представлена  схема  исследования  упрочненного  слоя  экспериментального  образца  диска дискатора в 3-х направлениях.  Упрочнение  осуществлялось  специалистами БГАТУ  по  разрабатываемой  технологии,  включаю-
щей закалку с импульсным охлаждением жидкостью. В связи с необходимостью уточнения структурного строения проводились измерения микротвёрдости в  поперечном  сечении  макрошлифов.  Было  выявлено убывание (диссипация)  значений  микротвёрдости  в направлении к сердцевине образца (рис. 4б).
Анализ  численных  значений  микротвёрдости  свидетельствует  о  наличии  в  поверхностных  слоях  структуры мартенсита, далее троостомартенсита (бейнита), а в сердцевине – трооститной структуры (рис. 5, 6). Исследования микроструктуры шлифов из стали
60ПП  проводились  в  Испытательном  Центре  ГНУ «Институт порошковой металлургии». Изучение  микроструктурного  строения  проводи-
лось  на  аттестованном  сканирующем  электронном микроскопе  высокого  разрешения “Mira”  фирмы “Tescan” (Чехия). На рис. 5(а, б) представлена микроструктура  весьма  мелкоигольчатого  мартенсита  поверхностного  слоя  образца. По  оценке металлографическим методом по ГОСТ 8233 [7] наибольшая длина игл  составляет  до 1  мкм,  что  свидетельствует  о  их мелкозернистости (дисперсности и баллу между 1 и 2). При увеличении соответственно х50000 и х100000 выявлена  фрагментация (дробление)  мартенситных  пластин. Их размер в поперечном сечении составляет 50-100нм, а размер фасеток отдельных пластин мартенсита  находится  в  пределах 20-80  нм.  Такое  наноструктурное  строение  мартенсита  в  поверхностных  слоях плоского  образца,  присущее  данному методу  и  режи-
мам  термической  обработки  по  технологии  ИЗОЖ предопределяет  комплекс  высоких  механических
свойств (твёрдость, прочность, ударная вязкость). Представленные  снимки  микроструктуры  переходного  слоя –  троостита  в  сердцевине  плоского образца  также  свидетельствуют  о  его  дисперсности.  В поперечном  сечении  размеры  фрагментов  троостита
составляют 20 – 60 нм, а длина трооститных пластин находится в пределах 120 – 500 нм.
В процессе закалки обеспечивается интенсивность охлаждения  заготовок  различной  формы  и  размеров  в широком диапазоне (от сотен°С до 20 000°С/с). Эта технология является энерго-ресурсосберегающей, экологически чистой. На одном рабочем посту достигается ча-
совая  производительность  около 60  изделий.  Она  используется  также в совокупности с другими эффективными  упрочняющими  технологиями:  лазерными,  плазменными и диффузионным намораживанием.

Внешние  поверхности  трения ДРОМ,  имея  дисперсную  структуру  мартенсита,  обладают  комплексом  высоких  механических  и  триботехнических свойств:  твердость  около 60  HRC;  прочность –  не менее  2000  МПа;  ударная  вязкость –  свыше 1
МДж/м²;  коэффициент  относительной  абразивной износостойкости – не менее 3,0-3,5.
Опытные  образцы  с  применением  технологии упрочнения  деталей  рабочих  органов  сельскохозяйственной  техники «отшлифовываются»  на  базе  технологического  научно-производственного  центра БГАТУ  с  последующей  передачей  документации
предприятиям–  изготовителям  этой  наукоемкой  продукции.  По  результатам  выполнения  задания 2.1 ГНТП «Белсельхозмеханизация» (головной  исполнитель – БГАТУ) освоена ТИЗОЖ в производственных условиях для упрочнения дисков лущильников (ОАО «БЭМЗ»), лемехов (ОАО «КЗШТ», г. Жодино), долот (РУП «МЗШ»),  сложнопрофильных  деталей (ОАО «Минский  Агросервис»).  По  техническому  уровню ДРОМ,  изготовленные  в  соответствии  с  разработанными  технологиями,  являются  конкурентоспособными  изделиями  в  сравнении  с  лучшими  зарубежными аналогами.
Выводы
На  основании  полученных  результатов  исследований  структурного  строения  образцов  из  стали 60ПП,  термически  обработанной  по  технологии ИЗОЖ, можно заключить следующее:
1.  Технологией  ИЗОЖ  достигается  формирование  в  плоских  изделиях  объёмного  нанокомпозиционного  состояния.  Оно характеризуется,  во-первых,наличием  диссипативного  структурного  строения  в поперечном  сечении  изделия,  во-вторых,  субмелко-
кристаллическим зерном мартенсита.
2.  Придание  такого  дисперсного  структурного строения  ДРОМ  является  основой  повышения  их конструкционной прочности и износостойкости.
3. Технология ИЗОЖ обладает высокой производительностью,  экономической  эффективностью  и адаптирована  к  производственным  условиям  упрочнения ДРОМ сельскохозяйственной техники.
4.  Установлено,  что  в  ходе  интенсивного  закалочного  охлаждения жидкостью  заготовок  из  сталей ПП  в  них  формируются  продукты  мартенситного превращения нанометрового размера (20-80 нм).

ЛИТЕРАТУРА
1.  Машиностроение.  Сельскохозяйственные  машины  и  оборудование:  энциклопедия. –  Т. IV-16/
И.П. Ксеневич [и др.]; под oбщ. ред. И.П. Ксеневича. – М.: Машиностроение, 2002. – 720 с.
2.  Энциклопедический  справочник  термистатехнолога:  в 3  т. – Т. 1/ С.Б. Масленков [и  др.];  под
общ. ред. С.Б. Масленкова. – М.: Наука и технологии,
2003. – 392с.
3.  Энциклопедический  справочник  термистатехнолога:  в 3  т. – Т. 3/ С.Б. Масленков [и  др.];  под
общ. ред. С.Б. Масленкова. – М.: Наука и технологии,
2004. – 704 с.
4. Кобаско, Н.И. Закалка  стали  в жидких средах под  давлением/ Н.И.  Кобаско. –  К.: Наукова Думка,
1980. – 208 с.
5. Волокушин, В.Д. Металловедение  и  термическая обработка: уч.-справ. пособ. / В.Д. Волокушин. –
Винница: Книга-Вега. – 2005. – 504 с.
6.  Хроника.  Второй  Всероссийский  семинар  по проблемам закалочного охлаждения// М и ТОМ, 1997.
– №10. – С. 37-38.
7. Сталь. Эталоны микроструктуры: ГОСТ 8233-56.
Введ. 07.01.57. – М: Гос. стандарт СССР: Изд-во
стандартов, 1960. – 4 с.