Разработка устройств регулируемого охлаждения для термоупрочнения металла

Современные технологии термоупрочнения, основанные на использовании систем регулируемого охлаждения позволяют обеспечить существенное повышение прочностных свойств изделий, повышенную вязкость разрушения, особенно при низких температурах, при сохранении достаточно высокого уровня пластичности. Служебные характеристики термоупрочненных изделий (долговечность, износостойкость, склонность к разрушению и т.д.) значительно выше, чем не термообработанных. Кроме того, существенно снижается себестоимость продукции, так как необходимый уровень механических свойств обеспечивается без использования или при минимизации дорогостоящих легирующих добавок в металл.

Институт металлургической теплотехники занимается вопросами изучения закономерностей внешнего и внутреннего теплообмена при струйном охлаждении, гидродинамики образования и взаимодействия струй охладителя и термоупрочняемого изделия, закономерностями структурообразования и получения заданного уровня механических свойств при регулируемом охлаждении.

Проведённый большой комплекс исследовательских работ позволил разработать методологию обоснованного выбора параметров систем регулируемого охлаждения, технологии термоупрочнения изделий различного марочного и размерного сортамента.

Во ВНИИМТ были разработаны системы регулируемого охлаждения для термоупрочнения различных видов проката листа из стальных, титановых, алюминиевых сплавов, арматуры, труб, рельсов, железнодорожных колес, рельсовых подкладок и т.д. и изделий машиностроения. Всего для различных отраслей промышленности при нашем участии или непосредственно нами было создано свыше 20 различных устройств для термоупрочнения изделий различного марочного и размерного сортамента.

В данном докладе представляется на ваше рассмотрение два направления наших работ по развитию технологии и средств термоупрочнения. С позиций обеспечения высокого уровня механических свойств изделий эти направления, несомненно, имеют большие перспективы. Это технологии термоупрочнения, основанные на системах водовоздушного и высокоинтенсивного охлаждения изделий.

Системы водовоздушного охлаждения

В машиностроении закалка изделий, как правило, осуществляется погружением в бак с закалочной средой (охладителем). В качестве охладителя используется масло, вода, щелочные и соляные растворы, полимерные смеси и т.д. Процесс охлаждения при такой технологии неуправляем. Отсутствие возможности регулирования скорости охлаждения в различных температурных интервалах не позволяет обеспечить после термообработки оптимальное сочетание прочностных и пластических свойств изделий, минимизировать напряжения. Металлургические свойства металла используются частично и недостаточно эффективно. При использовании в качестве охладителя масла и селитры низка экологичность, высока пожароопасность.

В институте разработаны устройства регулируемого охлаждения, использующие в качестве охладителя водовоздушные смеси. Водовоздушное охлаждение позволяет реализовать в одном агрегате «мягкое» (как в масле, селитре), так и интенсивное (как в воде, щёлочи). Возможность регулирования скорости охлаждения при водовоздушном охлаждении позволяет получить более высокий уровень механических свойств и служебных характеристик, недостижимые для изделий, чем после закалки погружением в бак. Кроме того, устраняются пожароопасность, загрязнение окружающей среды, вредность для здоровья персонала, проблемы старения и утилизации охладителей, существенно снижается себестоимость изделий.

На основе проведенных комплексных исследовательских работ разработано несколько вариантов установок водовоздушного охлаждения. Охлаждение изделий при закалке осуществляется водовоздушной смесью (туманом), которая образуется в генераторах водовоздушной смеси и через коллекторы и форсунки подается на охлаждаемое изделие. Конструктивные и режимные параметры установок водовоздушного охлаждения позволяют при достаточно простой системе управления изменять интенсивность теплоотдачи (скорость охлаждения) до 10 раз (рис.1). Меняя соотношение вода-воздух, можно будет осуществить в этих установках режим охлаждения с интенсивностью, более высокой, чем в водяном баке, а если необходимо, менее интенсивной, чем в масле. Алгоритм и система управления позволяют осуществлять изменение скорости охлаждения как в среднем при смене сортамента, так и многократно в различные температурно-временные интервалы в течение одного цикла закалки.

Область использования подобных установок весьма широка. На опытно-промышленном устройстве была опробована термообработка:

• различных деталей массового производства (стопорные кольца, шаровые опоры, болты и т.п.) в проходных линиях с конвейерным (или пульсирующим) подом;
• различного типа пружин и пружинных деталей, рессор;
• а также деталей различного химического состава.

Практически на всех машиностроительных предприятиях для термоупрочнения деталей широко используются агрегаты проходного типа (фирма «Ахилен Ибсен», Избербаш, Россия). Нагрев под закалку осуществляется в печах с защитной атмосферой на конвейерном или пульсирующем поду. После нагрева детали закаливаются в баках, заполненных водой или маслом.