Проактивные ремонты в горно-металлургической отрасли (стр. 2 )

Известен следующий пример [10]. Вкладышами штампов для формовки труб большого диаметра работали до износа 5 мм, при котором они начинали оставлять повреждения на заготовках труб. Когда внедрили плазменную закалку установкой УДГЗ-200, изнашивание замедлилось в 15 раз. Это позволило не дорабатывать вкладыши до риска получения брака, а своевременно заменять с износом ~ 2 мм, при одновременном сокращении их расхода в ~ 3 раза.

Принцип смены механизма изнашивания

При выборе нового способа упрочнения важно уточнить особенности изнашивания деталей, а именно выяснить, не происходит ли быстрого повреждения поверхностей:

– процарапыванием абразивными частицами;

– кавитационными или коррозионными изъязвлениями;

– канавками (промывами) быстрыми потоками жидкостей и газов;

– смятием или отколами;

– трещинами термической усталости;

– «схватыванием» трущихся поверхностей с образованием «задиров».

Результатом применения упрочнения должно стать устранение перечисленных видов быстрого повреждения с переходом изнашивания к медленному виду – «диспергированием». При нем потеря массы происходит очень медленно, в виде микрочастиц, отделяющихся в результате усталостных явлений после многих циклов воздействия. Такой износ долгое время не поддается визуальному определению; о нем свидетельствует лишь некоторое изменение цвета, называемое «натиром» или «потертостью». В этом случае достигается многократное увеличение срока службы деталей [11].

Определение степени упрочнения

Чем выше степень упрочнения, тем дороже и сложнее ее практическое достижение, поэтому в каждом случае важно найти оптимальное значение упрочняющих показателей. С одной стороны упрочнение должно исключить быстрое изнашивание, а с другой – быть доступным для исполнения.

Например, установлено, что для существенного замедления абразивного изнашивания не обязательно добиваться полного превосходства в твердости, что не просто, т. к. даже закаленная инструментальная сталь (У10) уступает абразиву в твердости. Для этого достаточно достижения изнашиваемой поверхностью 60 % твердости абразива [12].

Известно, что окалиностойкие стали содержат ~ 27 % Cr, но существенное увеличение срока службы печных роликов шаропрокатного цеха достигнуто наплавкой экономно легированной (менее дорогостоящей) проволокой Св-08Х14ГНТ. Если ролики из стали 45 за полгода эксплуатации уменьшались в диаметре на 15 мм, то наплавленные – только на 0,5 мм; таким образом, замедление изнашивания произошло в 30 раз [13].

Шпиндели прокатных станов изготавливаются из прочных конструкционных сталей с твердостью ~ НВ260. Их восстановление наплавкой твердыми наплавочными материалами сопровождалось отколами наплавленного слоя, поэтому наплавку производили мягкими сварочными электродами, которая быстро сминалась. Выход из положения был найден в наплавке чередующимися твердыми и мягкими участками (рис. 2.4), что одновременно устранило отколы и быстрое смятие при эксплуатации [4].

Соотношение твердостей материалов в парах трения

Неправильное сочетание в паре трения деталей по твердости и площади сопряжения может быть причиной быстрого износа. Полезно придерживаться общего правила, что подводящий мощность элемент должен превосходить сопрягаемый по твердости и площади рабочей поверхности. Такая пара трения называется «прямой».

Следствия из этого правила: а) шейка вала должна быть более твердой, чем вкладыш подшипника скольжения и по длине перекрывать последний; б) более твердые зубья шестерни по длине должны перекрывать зубья колеса; в) маслораспределительные канавки следует выполнять не на твердой оси, а на мягкой втулке и т. п. [14].

При обсуждении способов упрочнения крановых рельс и колес высказываются опасения, что упрочнение одних должно вызывать ускоренный износ других. В том числе и по этой причине их упрочнение в настоящее время не превышает HRC35, тогда как стали, из которых они изготавливаются, способны к закалке на твердость HRC55. В связи с этим проведены испытания на машине трения (табл. 2.2), которые позволили сделать следующие выводы. Плазменная закалка рельса не только не привела к повышенному износу колеса, но снизила его в 2,1 раза, притом, что износ закаленного рельса снизился в 121 раз. В еще большей степени снизило износ пары трения дополнительное упрочнение колеса наплавкой. Эти закономерности в определенной мере подтвердились в производственных испытаниях [15].

Таблица 2.2

Влияние упрочнения на износостойкость колесной и рельсовой стали

Колодка (Рельс)	Диск (Колесо)
Сталь 70	HV	Износ*, г	К из	Сталь 65Г,	HV	Износ*, г	К из
Без закалки	280	1,50740	1,0	Без закалки	314	2,1246	1,0
С плазменной закалкой	877	0,01242	121,0	Без закалки	314	1,0208	2,1
С плазменной закалкой	877	0,0046	328,0	С наплавкой Нп-18Х2Г2	350	0,1787	11,9

*Суммарный за 20 минут испытаний; средний по 5-и парам

При выборе способа упрочнения важно иметь в виду, что препятствием к применению выбранного способа могут быть следующие обстоятельства, которые также должны быть предметом рассмотрения:

– невозможность механообработки после упрочнения;

– чрезмерные деформации в результате упрочнения;

– появление склонности к хрупким или усталостным разрушениям.

Учитывая сложность задачи оптимального выбора методов упрочнения, к ее решению целесообразно привлекать опытных специалистов, и не проявлять излишней доверчивости предложениям производителей различных защитных материалов и упрочняющих технологий.

Плазменная закалка

Особое внимание этому виду упрочнения объясняется тем, что с его появлением закалка стала более доступной. Она представляет собой нагрев до некоторой критической температуры (≥750 ºС) и последующее быстрое охлаждение, в результате чего твердость стали и чугуна увеличивается с HRC20-25 до HRC50-65. Это парадоксально, но так и есть: рост твердости составляет 2-3 раза, а увеличение износостойкости происходит на порядок или больше. Поэтому закалка остается наиболее распространенным способом упрочнения. Многие детали (пружины, шариковые и роликовые подшипники качения, режущий и штамповый инструмент) без закалки оказываются неработоспособными.

Первоначально разработанная закалка с нагревом в печах невозможна или затруднительна на массивных или деталях большой длины. Поэтому по мере появления высококонцентрированных источников нагрева их применяли для поверхностной закалки. В первом десятилетии 20-го века появилась газопламенная закалка; в 30…40-х годах – электроконтактная, в электролите, закалка ТВЧ (токами высокой частоты); позднее для поверхностной закалки получил применение лазерный луч [16–18].

Сведения о плазменной закалке появились в 80-х годах 20 века. Наличие в промышленности различных плазменных аппаратов (для резки, сварки, напыления) подталкивало новаторов приспосабливать их для поверхностной закалки. Но, несмотря на многочисленные успехи [19–21], плазменная закалка в 90-х годах не обрела самостоятельной жизни. Ее промышленное применение в основном поддерживалось разработчиками технологий. Плазменные установки для поверхностной закалки как самостоятельный вид товара не выпускались.

Значительным событием в развитие плазменной закалки стала разработка установки УДГЗ-200, которую выполнили в 2002 г. в (Нижний Тагил). Она впервые сделала плазменную закалку доступной ручному применению, чем существенно расширила область ее применения. Теперь закаливается, что было не доступно. При этом закалка установкой УДГЗ-200 удобно автоматизируется и роботизируется [22].

Установка УДГЗ-200 является первой установкой для плазменной закалки, на которую разработаны Технические условия и которая прошла сертификацию. По настоящее время она не имеет конкуренции, т. е. сообщения о поставке установок для ручной плазменной закалки на рынке отсутствуют.

Работу на ней осваивают сварщики 2–3 разрядов. Как следствие, внедрение установки в производство происходит без затруднений.

 

Закалка установкой УДГЗ-200 (рис. 2.5) происходит без подачи воды на деталь, за счет теплоотвода в ее тело. Поэтому может применяться не только в термических цехах, но и на ремонтных площадках, по месту обработки и эксплуатации деталей, что способствует расширению ее применения.

Закалка установкой УДГЗ-200, оставляя на поверхности цвета побежалости, не приводит к существенному ухудшению шероховатости в диапазоне Rz 4…40, не дает деформаций, благодаря чему многие закаленные детали идут в эксплуатацию без финишной шлифовки. Это позволяет сократить процесс изготовления, снизить себестоимость.

Твердый (HRC 45…65) слой закалки (0,5–1,5 мм) многократно увеличивает срок службы крановых рельс и колес, зубчатых и шлицевых соединений, канатных блоков, футеровочных плит, штампов. Например, зубчатые венцы сталелитейного крана грузоподъемностью 225 т и рудо-усреднительной машины увеличили сроки службы в ~3 раза с пропорциональным сокращением частоты ремонтов. Рельсы и колеса передаточных тележек на трубопрокатном заводе после плазменной закалки увеличили срок службы с нескольких месяцев до нескольких лет [15, 22].

Установкой УДГЗ-200 упрочняются низкоуглеродистые стали 20Л, 35Л, обычно не закаливающиеся, в т. ч. посадочные места в корпусах дробилок, на прокатных клетях и вагонных тележках [23].

Установка УДГЗ-200 отмечена серебряной медалью Женевского салона изобретений в 2008 г. Она восполняет отсутствие привычного (дорогостоящего и крупногабаритного) термического оборудования, делает процесс упрочнения экологически чистым.

Карбонитрация

Внимание этому способу в настоящей работе объясняется тем, что по эффективности, не уступая распространенным способам (закалка ТВЧ, цементация, азотирование), он превосходит их в экономичности в условиях мелкосерийного производства, свойственного ремонтной специфике.

Цианирование, насыщение поверхности стальных деталей углеродом и азотом в расплаве цианидов, для придания твердости и износостойкости известно с 19-го века, но из-за высокой ядовитости процесса широкого применения не получило. После второй мировой войны для уменьшения токсичности цианидного расплава в США, Франции, ФРГ, Японии его стали разбавлять цианатами, однако желаемого обезвреживания не достигли. Проблему в начале 70-х годов удалось решить проф. МВТУ им.  А. Прокошкину, который нашел способ (Авторское свидетельство СССР) качественно увеличить реакционную способность безвредного цианатного расплава. Новый процесс получил название – карбонитрация.

Одними из первых внедрение карбонитрации в производство произвели на Волжском автомобильном заводе. В автомобильном двигателе распределительный вал из чугуна упрочнялся закалкой ТВЧ, а рычаг клапана (18ХН2М) – цементацией. Замена цементации на карбонитрацию в ~10 раз увеличила износостойкость пары трения [24]. Столь впечатляющий эффект объясняется получением на поверхности тонкого (~10 мкм), но высокотвердого, слоя карбонитрида [25]. В световом микроскопе после травления он выглядит белым (рис. 2.6), что говорит о его высокой химической стойкости. Высокая твердость (табл. 2.3) и химическая инертность делают карбонитрированную поверхность устойчивой к «схватываниям» при трении, т. е. износостойкой.

Таблица 2.3

Сталь	20	40	40Х	30Х13	Х18Н10	Р6М5	Чугун серый
НV50	490	520	950	1100	1100	1400	-
HRC (прибор УЗИТ-3)	35	45	50	65	65	68	50

Твердость карбонитрированных поверхностей

Несмотря на перечисленные преимущества, карбонитрация остается малоизвестной технологией. Когда, , созданное в 1990 г. Нижнетагильским филиалом Уральского политехнического института, организовало в 2006 г. участок карбонитрации, желающих прибегнуть к его услугам не оказалось. Причина была в том, что в чертежах предприятий индустриально развитого Уральского региона карбонитрация отсутствовала. Встречались цементация, азотирование, закалка ТВЧ, наплавка, напыление, но карбонитрации в чертежах не было. Чтобы приступить к карбонитрации, потребовалась разъяснительная работа, которая помимо личных бесед работников Композита с заводскими руководителями и специалистами, проводилась на серийной (раз в два года) Уральской конференции «Сварка. Реновация. Триботехника», выездных лекциях-семинарах.

Таблица 2.4

Расход валов-шестерней редуктора бурового станка СБЩ-250

Год	2006	2007*	2008	2009	2010	2011	2012
Кол, шт.	38	27	17	5	5	6	5
*В 2007 г. вместо закалки ТВЧ начато применение карбонитрации

Карбонитрацию отличает следующее:

Ø  превосходит гальваническое хромирование;

Ø  упрочняет недорогие стали, типа 20 (позволяет ими заменять 40Х);

Ø  снижает трение (замена цементации на карбонитрацию уменьшила ток приводного двигателя на испытательном стенде в 1,3 раза).

На горно-обогатительном комбинате применение карбонитрации взамен закалки ТВЧ в ~7 раз сократило (табл. 2.4) расход валов-шестерней редуктора перемещения карьерного бурового станка СБШ-250 [26]. Процесс карбонитрации происходит в ваннах с размерами Ø 450×900 мм. Более длинные детали ставятся на карбонитрацию поочередно с обоих концов.

Износостойкие накладки

Когда не было способов поверхностного упрочнения, для защиты от износа использовали накладные элементы с механическим креплением. Они применяются по настоящее время: вкладыши подшипников скольжения, седла клапанов, броневые диски в шахтных насосах. Выпускаются (www. *****) биметаллические плиты (рис. 2.5) с наплавленным износостойким (HRC64) слоем. Имеется возможность их вальцовки с радиусом ≥ 300 мм.

В настоящее время металлические накладки вытесняют полимеры. Замена чугунных подшипников в прокатных станах на текстолитовые подшипники вдвое снизила износ шеек рабочих валков [27].

Таблица 2.5

Заготовки на основе фторопласта Ф-4 (www. chemind-tec/ru)

Марка	Ф4К20	Ф4С15	Ф4М5	Ф4КС2
Наполнитель	20 % кокса	15 % стекловолокна	5 % дисульфида молибдена	2 % кобальта синего

Наиболее низким коэффициентом трения обладает фторопласт. Его синтезируют в виде порошка, из которого прессуют с последующим спеканием заготовки и готовые детали. Но при длительных нагрузках он пластически деформируется. Чтобы повысить его прочность при прессовании добавляют наполнители (табл. 2.5). Такие подшипники переносят запыленную среду, успешно работают при колебательном движении [28].

Фирма «Wolf» изготавливает антифрикционный материал SEDEX (www. zedex. de), заменяющий чугун, бронзу, полиамид, фторопласт, текстолит. Он снижает износ в сравнении с бронзой в 5…10 раз и дает возможность работы без смазки. Стоимость деталей на 30…40 % ниже аналогичных из бронзы, т. к. плотность материала в 6 раз меньше. Поставки в виде листов толщиной 1…100 мм, прутков Ø до 200 мм, труб Ø до 350 мм.

2.3. Улучшение смазывания механизмов

Виды смазки

Смазка представляет собой прослойку, которая в той или иной степени переводит внешние трение (большое по величине) сопрягающихся поверхностей во внутреннее трение (небольшое по величине) смазочного материала. При этом резко снижаются силы трения и износ. Кроме того смазка оказывает благоприятное демпфирующее и охлаждающее воздействие на механизмы.

Различают жидкостную смазку, когда трущиеся поверхности разделяет сплошной устойчивый слой смазочного вещества. Она создается особым устройством подшипников скольжения и применением насосов.

Граничная смазка представляет собой более тонкий, прерывистый слой масла. Он получается в результате свободного размещения на поверхностях трения смазочных веществ.

Граничная смазка может быть из микрочастиц твердого вещества с низким коэффициентом трения (Графит, MoS2, фторопласт…), наносимых натиранием. Еще ее называют твердой граничной смазкой.

В 60-х годах, в СССР было зарегистрировано научное открытие № 41 – «эффект безызносности» [28]. Его суть в том, что из смазки, содержащей ионы или мелкодисперсные частицы твердого смазочного вещества, на поверхностях трения осаждается тонкий (субмикронный) слой этого вещества. За ним признается способность изнашивания и восстановления по мере увеличения зазора между поверхностями трения. Таким образом, несмотря на трение и изнашивание, первичные поверхности деталей остаются без износа. Отсюда происхождение термина «эффект безызносности». Пленки, формирующиеся в результате этого эффекта, представляют собой твердую граничную смазку.

В 30-х годах 20 века стал известен эффект Ребиндера. Он показал, что трение способен снижать чрезвычайно тонкий (невидимый в оптический микроскоп) слой поверхностно-активных веществ (ПАВов). В связи с этим его можно называть «невидимой граничной смазкой».

Смазочные материалы

Масла. Исторически первыми применялись масла животного и растительного происхождения. В последней четверти 19 века началось производство дешевых минеральных масел из нефти. Но они оказались не так хороши, поэтому совершенствовали их выработку и улучшали антифрикционными, износостойкими, противопенными и др. присадками.

К середине 20-го века относится появление синтетических масел. Имея низкую вязкость, мало зависящую от температуры, и химическую стабильность они обеспечивают лучшие смазочные свойства, благодаря чему достигается снижение трения и износа по сравнению с нефтяными маслами [29].

Пластичные смазочные материалы получаются загущением масел мылами и др. веществами. Конструктивная простота узлов, работающих на пластичных смазках, делает пластичные смазки предпочтительнее жидких масел, если только это не снижает износостойкости пар трения.

Твердые смазочные вещества

Некоторые твердые вещества (графит, дисульфид молибдена, фторопласт) благодаря пониженному коэффициенту трения, используются в качестве смазки. Твердая смазка не выдавливается из зоны трения при высоких давлениях, не испаряется, химически устойчива, что составляет ее превосходство перед маслами и пластичными смазками. Но коэффициент трения у твердых смазок выше, поэтому они используются преимущественно в экстремальных случаях: при высоких температурах, глубоком вакууме, ударных нагрузках, в узлах малодоступных обслуживанию, т. е. когда применение других смазок не возможно или не оправдано.

Твердые смазки плохо удерживаются на металлических поверхностях, поэтому их вводят в другие вещества. Примером может быть полиамид NYLATRON NSM – литой нейлон 6, содержащий твердое смазочное вещество, которое увеличивает до 5 раз допустимые значения давления и скорости при трении (www/*****). Введение в состав пластичной смазки ВНИИНП-207 порошкового фторопласта (новое название ВНИИНП-207F) формирует из него на поверхностях трения пленку, увеличивающую ресурс подшипников, снижающую шум и вибрацию, позволяющую работать после испарения смазки (*****). Коллоидный графит используется для приготовления различных смазок. Дисульфид молибдена входит в состав суспензии ВНИИНП-212 из карбамидно-формальдегидной смолы и этилового спирта. После намазывания на поверхность она самопроизвольно твердеет, создавая слой твердого смазочного вещества.

Эпиламы. Для нанесения ПАВа на поверхность трения на западе был разработан раствор, названный «Эпилам». В дальнейшем новые растворы ПАВов по аналогии продолжали именовать эпиламами, присваивая каждому оригинальное название (марку). В настоящее время выпускаются эпиламы широкого применения на основе фторированного ПАВа [30]. Например, 0,05 % раствор перфторполиэфирной кислоты 6МКФ-180 в Хладоне 113 (эпилам Эфрен-2). «Эпиламовая невидимая смазка» не отменяет применения обычной смазки, но повышает ее эффективность. Кроме того, во время перебоев в подаче основной смазки эпиламовая пленка способна предохранять поверхности от «схватывания» и быстрого выхода из строя. Эпиламирование предусматривает предварительное обезжиривание поверхности, смачивание ее эпиламом и сушку на воздухе, что вполне доступно к применению в ремонтах и техническом обслуживании.