RU2313581C2

RU2313581C2 - Manual plasma quenching method

Info

Publication number: RU2313581C2
Application number: RU2005132440/02A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Коротков (RU); Владимир Александрович Коротков; Игорь Дмитриевич Михайлов (RU); Игорь Дмитриевич Михайлов; Эдуард Жоржевич Агафонов (RU); Эдуард Жоржевич Агафонов; Дмитрий Сергеевич Бабайлов (RU); Дмитрий Сергеевич Бабайлов
Original assignee: ООО "Композит"
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2007-12-27
Also published as: RU2005132440A

Abstract

FIELD: thermal processing for producing of quenched surface.

SUBSTANCE: method involves providing surface quenching by moving direct plasma arc of reverse polarity on surface of product under quenching process when electrode is anode and product is cathode.

EFFECT: increased efficiency in producing of quenched surface without fusing, with sufficient strengthening depth.

3 dwg

Description

Изобретение относиться к машиностроению и предназначено для поверхностного упрочнения деталей.The invention relates to mechanical engineering and is intended for surface hardening of parts.

Известно, что поверхностное упрочнение (закалку) деталей производят газовыми горелками, индукторами ТВЧ, лазерным лучом и др. источниками поверхностного нагрева. С 80^х годов распространение получила плазменная закалка дугой прямого действия, горит между электродом (плазматроном) и изделием. При этом используется дуга прямой полярности, когда неплавящейся электрод является катодом, а изделие - анодом. (Металловедение и термическая обработка металлов, 1988, №12, с.35 в статье "Упрочнение рабочих поверхностей чугунных деталей методом плазменного оплавления" авторов Н.С.Шепелева, М.В.Селиванова и др.).It is known that surface hardening (hardening) of parts is performed by gas burners, high-frequency inductors, a laser beam, and other sources of surface heating. Since the 80s ^, plasma quenching has been spread by direct arc, it burns between the electrode (plasmatron) and the product. In this case, an arc of direct polarity is used when the non-consumable electrode is the cathode, and the product is the anode. (Metallurgy and heat treatment of metals, 1988, No. 12, p. 35 in the article "Hardening of the working surfaces of cast iron parts by plasma fusion" by N.S. Shepelev, M.V. Selivanova, etc.).

Недостатком плазменной закалки на прямой полярности является то, что качество закалки в значительной степени зависит от скорости перемещения плазменной дуги по поверхности изделия. С ее увеличением глубина закалки резко уменьшается (Сварочное производство, 2003, №2, с.26 в статье "Поверхностное упрочнение стальных деталей сжатой электрической дугой" авторов А.Е.Михеева, С.С.Ивасева и др.). В еще большей степени на свойства закаленного слоя влияет длина дуги. Обычно для каждого режима подбирается оптимальная длина дуги, при которой дуга горит устойчиво. Ни один из авторов известных публикаций не пытался исследовать влияние длины дуги на свойства закалки. Это произошло потому, что проследить это чрезвычайно трудно. Обычно даже небольшое увеличение длины дуги от оптимального значения резко уменьшает глубину и твердость закалки, а укорочение дуги приводит к оплавлению поверхности, что часто является браковочным признаком.The disadvantage of plasma hardening at direct polarity is that the quality of hardening largely depends on the speed of movement of the plasma arc on the surface of the product. With its increase, the hardening depth decreases sharply (Welding production, 2003, No. 2, p.26 in the article "Surface hardening of steel parts with a compressed electric arc" by A.E. Mikheev, S. S. Ivasev and others). To an even greater extent, the properties of the hardened layer are affected by the length of the arc. Usually, for each mode, the optimal arc length is selected at which the arc burns steadily. None of the authors of well-known publications tried to investigate the effect of arc length on quenching properties. This is because tracing this is extremely difficult. Usually, even a slight increase in the arc length from the optimum value sharply reduces the hardening depth and hardness, and shortening the arc leads to surface melting, which is often a defect.

Высокая чувствительность качества закалки к скорости перемещения и длине плазменной дуги обусловило, что плазменную закалку производят только на автоматических установках, где два вышеприведенных параметра поддаются точной настройке и точному поддержанию в процессе закалки. Ручная плазменная закалка до последнего времени не приводилась именно потому, что неизбежные в ручном процессе колебания длины дуги и скорости закалки дают оплавление поверхности или не обеспечивают ее упрочнения.The high sensitivity of quenching quality to the speed of movement and the length of the plasma arc has led to the fact that plasma quenching is carried out only in automatic plants, where the two above parameters lend themselves to fine tuning and precise maintenance during quenching. Until recently, manual plasma hardening was not given precisely because fluctuations of the arc length and hardening speed that are inevitable in the manual process give a surface fusion or do not provide its hardening.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение чувствительности качества закалки к длине дуги, скорости ее перемещения и, на основе этого, изыскания возможности выполнения плазменной закалки вручную без оплавления поверхности.The objective of the present invention is to reduce the sensitivity of the quality of hardening to the length of the arc, the speed of its movement and, based on this, finding the possibility of performing plasma hardening manually without melting the surface.

Поставленная задача решена путем применения для поверхностной закалки дуги обратной полярности, когда электрод является анодом, а изделие - катодом.The problem is solved by applying for surface hardening an arc of reverse polarity, when the electrode is the anode and the product is the cathode.

Производилась плазменная закалка на автоматической установке цилиндра из стали 40 диаметром ⌀60 мм со скоростью 43,6 м/час на токе 60 А. Было установлено, что и на прямой и на обратной полярности при длине дуги 9 мм (расстояние от среза сопла плазмотрона до поверхности детали) оплавление закаленной дорожки не происходит. На фиг.1 показаны темплеты, вырезанные из образца с плазменной закалкой, выполненной при длине дуги 3 мм. По ним видно, что при закалке на обратной полярность (поз.1.) поверхность закаленной дорожки не имеет оплавления, а при закалке на прямой полярности (поз.2.) по средине закаленных дорожек имеется оплавление, сформировавшее буртик высотой 0,12 мм. При увеличении длины дуги прямой полярности до 6 мм избежать оплавления не удалось, но высота буртика уменьшилась до 0,06 мм. Таким образом, дуга обратной полярности даже при существенном укорочении не вызывает оплавления закаливаемой поверхности, тогда как даже небольшое укорочение дуги прямой полярности приводит к оплавлению.Plasma hardening was performed on an automatic installation of a cylinder of steel 40 with a diameter of ⌀60 mm at a speed of 43.6 m / h at a current of 60 A. It was found that both on direct and reverse polarity with an arc length of 9 mm (the distance from the nozzle exit of the plasma torch to surface of the part) melting of the hardened track does not occur. Figure 1 shows the templates cut from a plasma hardened sample made with an arc length of 3 mm. It can be seen from them that during quenching at reverse polarity (pos. 1.), The surface of the hardened track does not melt, and when quenching at direct polarity (pos. 2.) In the middle of the quenched tracks there is fusion, which formed a bead 0.12 mm high. With an increase in the length of the arc of direct polarity to 6 mm, reflow was not avoided, but the height of the flange decreased to 0.06 mm. Thus, an arc of reverse polarity, even with a significant shortening, does not cause melting of the hardened surface, while even a slight shortening of the arc of direct polarity leads to fusion.

На фиг.2 представлено распределение микротвердости по глубине закалки, выполненной дугой прямой полярности. Из нее видно, что с увеличением длины дуги с 3 мм до 9 мм произошло уменьшение: микротвердости с Н₅₀₀500 до Н₅₀₀450; а глубины закалки с 0,9 мм до 0,7 мм.Figure 2 shows the distribution of microhardness along the hardening depth made by an arc of direct polarity. It can be seen from it that with an increase in the length of the arc from 3 mm to 9 mm there was a decrease: microhardness from H ₅₀₀ 500 to H ₅₀₀ 450; and hardening depths from 0.9 mm to 0.7 mm.

На фиг.3 представлено аналогичное распределение микротвердости по глубине закалки, но выполненное дугой обратной полярности. В данном случае имеет место обратная закономерность: с увеличением длины дуги с 3 мм до 9 мм микротвердость и глубина закалки не уменьшились, а увеличились: микротвердость - с Н₅₀₀480 до Н₅₀₀640, а глубина закалки - с 0,7 мм до 1,1 мм. Отсюда можно сделать следующие выводы о преимуществах плазменной закалки на обратной полярности по сравнению с закалкой на прямой полярности.Figure 3 presents a similar distribution of microhardness along the hardening depth, but made by an arc of reverse polarity. In this case, the opposite is true: with increasing arc length from 3 mm to 9 mm, microhardness and hardening depth did not decrease, but increased: microhardness - from N ₅₀₀ 480 to H ₅₀₀ 640, and hardening depth - from 0.7 mm to 1 , 1 mm. From this we can draw the following conclusions about the advantages of plasma quenching at reverse polarity compared to quenching at direct polarity.

1. При длине дуги 9 мм, когда в обоих случаях нет оплавления, на обратной полярности выше микротвердость (Н₅₀₀640 вместо Н₅₀₀430) и больше глубине закалки (1,1 мм вместо 0,7 мм).1. With an arc length of 9 mm, when there is no reflow in both cases, the microhardness is higher at the reverse polarity (H ₅₀₀ 640 instead of H ₅₀₀ 430) and greater than the hardening depth (1.1 mm instead of 0.7 mm).

2. Максимальные значения микротвердости и глубины закалки на обратной полярности получены на длинной (9 мм) дуге, которая более удобна, чем короткая, для ведения процесса вручную. Ибо при короткой дуге корпус плазматрона мешает наблюдению за ней, что создает трудности с направлением дуги в требуемое место.2. The maximum values of microhardness and hardening depth at reverse polarity were obtained on a long (9 mm) arc, which is more convenient than short for manual process. For with a short arc, the plasmatron body interferes with the observation of it, which creates difficulties with the direction of the arc to the desired location.

Изложенное позволяет заключить, что на обратной полярности при ведении плазменной закалки вручную, когда происходят колебания длины дуги и скорости ее перемещения, все же возможно получение закаленной поверхности без оплавления с достаточной глубиной упрочнения.The foregoing allows us to conclude that at the opposite polarity when conducting plasma hardening manually, when there are fluctuations in the arc length and its velocity, it is still possible to obtain a hardened surface without fusion with a sufficient depth of hardening.

Практическое применение нового способаPractical application of the new method

Штамп из стали 5ХНМ, массой 2200 кг используется для горячей штамповки титана ВТ-20. При изготовлении он упрочняется объемной закалкой с отпуском на НВ 340. После 1100 штамповок его осаживают для восстановления гравюры. По мере удаления от поверхности во время осадок твердость гравюры снижается и после 8 осадок она достигла НВ 300. Штамп подлежал утилизации, ибо его повторная объемная закалка была невозможна, т.к. потеряв в толщине, при объемной закалке он получил бы недопустимую деформацию. Тогда сложнопрофильную гравюру штампа вручную упрочнили плазменной закалкой на обратной полярности. Твердость поверхности увеличилась до НВ 540, а съем - до 1862 штамповок. Таким образом, ручная плазменная закалка не только продлила срок службы штампа, но и увеличила его стойкость во время компании в 1,7 раза (с 1100 шт. до 1862 шт.).A stamp made of steel 5XHM, weighing 2200 kg, is used for hot stamping of VT-20 titanium. In the manufacture, it is hardened by volume hardening with tempering on HB 340. After 1100 stampings, it is precipitated to restore the engraving. As you move away from the surface during sediment, the hardness of the engraving decreases and after 8 sediments it reaches HB 300. The stamp was subject to disposal, because its repeated volume hardening was impossible, because having lost in thickness, with volume hardening he would have received an unacceptable deformation. Then complex profile engraving of the stamp was manually hardened by plasma hardening at reverse polarity. The surface hardness increased to HB 540, and the removal - up to 1862 stampings. Thus, manual plasma hardening not only extended the life of the stamp, but also increased its resistance during the company 1.7 times (from 1100 to 1862).

Штамп из стали 8Х3 используется для холодной вырубки заготовок из стали 30ХГСА толщиной 6,5 мм. Обычно на нем нарубают ~5 тыс. заготовок, подвергают зачистке, дополнительно нарубают 10 тыс. шт. и утилизируют. Штамп по рабочим кромкам упрочнили вручную плазменной закалкой на обратной полярности; твердость кромок увеличилась с HRC 52 до HRC 60. С двумя зачистками штамп нарубил 40 тыс. заготовок, что в 2,6 раза больше, чем нарубает штамп без плазменной закалки (15 тыс. шт.).A stamp made of steel 8X3 is used for cold cutting of blanks made of steel 30HGSA with a thickness of 6.5 mm. Usually ~ 5 thousand billets are chopped on it, subjected to stripping, and 10 thousand pieces are chopped in addition. and disposed of. The stamp on the working edges was hardened manually by plasma hardening at reverse polarity; the hardness of the edges increased from HRC 52 to HRC 60. With two sweeps, the stamp chopped 40 thousand blanks, which is 2.6 times more than the stamp cuts without plasma hardening (15 thousand pcs.).

Штамп из стали 5ХВ2С используется для горячей вырубки заготовок из стали 30ХГСА толщиной 10 мм. Обычно с периодическими зачистками он нарубает 8 тыс. заготовок. После ручной плазменной закалки по рабочим кромкам твердость увеличилась с HRC 54 до HRC 62, а наработка штампа возросла до 42,2 тыс. шт., т.е. в 5,3 раза.A 5KhV2S steel stamp is used for hot cutting of blanks from 30KhGSA steel 10 mm thick. Usually with periodic sweeps he chopped up 8 thousand pieces. After manual plasma hardening along the working edges, the hardness increased from HRC 54 to HRC 62, and the die life increased to 42.2 thousand pieces, i.e. 5.3 times.

Производилась плазменная закалка зубьев венца шестерни сталеразливочного крана. Затрудненный доступ к поверхности зубьев потребовал увеличения длины дуги до 20 мм. Это не отразилось на качестве закалки и срок службы зубчатых венцов увеличелся с 6 мес. до 17 мес., т.к. в 2,8 раза.Plasma hardening of the teeth of the crown gear of a steel pouring crane was carried out. Difficult access to the surface of the teeth required an increase in the length of the arc to 20 mm. This did not affect the quality of hardening and the service life of gears increased from 6 months. up to 17 months 2.8 times.

Claims

A method for surface hardening of products, including hardening by moving a direct-acting plasma arc excited between the electrode and the product on the surface of the product, characterized in that to prevent the tempered surface from melting while ensuring sufficient depth and hardness of the hardened layer, plasma hardening is performed at the opposite polarity when the electrode is the anode, and the product is the cathode.