RU2459877C1

RU2459877C1 - Method of quenching spring terminals and plant to this end

Info

Publication number: RU2459877C1
Application number: RU2011113924/02A
Authority: RU
Inventors: Александр Васильевич Дьяков (RU); Александр Васильевич Дьяков; Александр Кириллович Гучков (RU); Александр Кириллович Гучков; Владимир Михайлович Федин (RU); Владимир Михайлович Федин; Алексей Игоревич Борц (RU); Алексей Игоревич Борц; Юлия Вадимовна Ронжина (RU); Юлия Вадимовна Ронжина; Александр Вячеславович Иванов (RU); Александр Вячеславович Иванов; Вячеслав Михайлович Мишунин (RU); Вячеслав Михайлович Мишунин; Андрей Дмитриевич Прокофьев (RU); Андрей Дмитриевич Прокофьев; Владимир Иванович Хатунцев (RU); Владимир Иванович Хатунцев
Original assignee: Александр Васильевич Дьяков; Александр Кириллович Гучков; Владимир Михайлович Федин; Алексей Игоревич Борц; Юлия Вадимовна Ронжина; Александр Вячеславович Иванов; Вячеслав Михайлович Мишунин; Андрей Дмитриевич Прокофьев; Владимир Иванович Хатунцев
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2012-08-27

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: spring terminal heated to austenitisation temperature is quickly cooled in jet flow of quenching fluid in the range of pearlitic and martnensitic transformation temperatures of 80-120°C. Depending upon article configuration and sizes, jet flow rate is SET to make 5-15 m/s, specific flow rate is adjusted in the range of 20-60 cm³/(cm²·s) to allow part cooling rate of 100-600°C/s while quenching fluid temperature is maintained equal to 30-60°C. Terminal quenching plant comprises high-pressure pump, filter and cooling chamber housing sprayer, slide and conveyor. Shutter is arranged at sprayer outlet and connected with drive to open and close it in time and vibrate it in closed position. Sprayer inner space follows that of spring terminal with minimum clearance while conveyor provides final cooling of spring terminals in stationary quenching fluid and discharging from cooling chamber.

EFFECT: higher quality and efficiency.

2 cl, 1 ex, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может найти применение при закалке пружинных клемм рельсовых скреплений и их аналогов.The invention relates to mechanical engineering and may find application in the hardening of spring terminals of rail fasteners and their analogues.

Известен способ струйной закалки изделий (А.с. №1576575, БИ №25, 1990 г.) с целью повышения качества закалки путем снижения скорости охлаждения по мере понижения температуры изделия и предотвращения за счет этого появления закалочных трещин. Способ включает подачу чередующихся струй воды и воздуха на неподвижное изделие с бесступенчатым регулированием скорости охлаждения при последовательном снижении продолжительностей подачи воды и воздуха в каждом цикле от 5-3 до 1-0,1 по мере охлаждения стали. Суммарная длительность каждого цикла обработки водой и воздухом равна 2-10 с.There is a method of inkjet hardening of products (A.S. No. 1576575, BI No. 25, 1990) in order to improve the quality of hardening by reducing the cooling rate as the temperature of the product decreases and, due to this, hardening cracks appear. The method includes supplying alternating jets of water and air to a stationary product with stepless regulation of the cooling rate with a sequential decrease in the duration of the supply of water and air in each cycle from 5-3 to 1-0.1 as the steel cools. The total duration of each cycle of treatment with water and air is 2-10 s.

Недостатком данного способа является низкая производительность, поскольку медленная стадия охлаждения выполняется на неподвижном изделии, находящемся в камере охлаждения, и занимает сравнительно долгое время. Кроме того, способ не позволяет бесступенчато регулировать скорость охлаждения изделий с небольшим расчетным сечением 10-20 мм, поскольку время, необходимое для переключения подачи воды и воздуха в цикле, становится сопоставимым по величине с суммарным временем закалки.The disadvantage of this method is the low productivity, since the slow cooling stage is performed on a stationary product located in the cooling chamber, and takes a relatively long time. In addition, the method does not allow steplessly regulating the cooling rate of products with a small calculated cross section of 10-20 mm, since the time required to switch the water and air supply in the cycle becomes comparable in magnitude with the total quenching time.

Известна «Установка для закалки изделий в двух средах», содержащая закалочный бак с наклонной перегородкой, устройство для перемещения изделий в баке, выполненное в виде размещенных с обеих сторон перегородки кольцевого транспортера и Г-образного рычага с захватом (А.с. №783352, кл. C21D 1/63, Бойко КС, RU, 30.11.80 г.).The well-known "Installation for hardening products in two environments", containing a quenching tank with an inclined partition, a device for moving products in the tank, made in the form of an annular conveyor and a L-shaped lever with a grip placed on both sides (A.S. No. 783352, class C21D 1/63, Boyko KS, RU, November 30, 1980).

Недостатком установки является неравномерность охлаждения поверхности изделия, так как изделие движется вдоль стенки кольцевого транспортера и неодинаково омывается потоком воды. Кроме того, конструкция не гарантирует быстрого удаления образующейся на поверхности изделия паровой рубашки, также влияющей на скорость охлаждения и качество закалки. Медленное охлаждение осуществляется в масле, которое снижает пожаробезопасность и экологичность технологического процесса.The disadvantage of the installation is the uneven cooling of the surface of the product, since the product moves along the wall of the annular conveyor and is not equally washed by the flow of water. In addition, the design does not guarantee the rapid removal of the steam jacket formed on the surface of the product, which also affects the cooling rate and the quality of hardening. Slow cooling is carried out in oil, which reduces the fire safety and environmental friendliness of the process.

Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является способ для термопластического упрочнения деталей и установка для его осуществления (Патент РФ №2258086, кл. C21D 9/00, C21D 1/62, автор Круцило ВГ, RU, 2005 г.). Детали нагревают свыше 600°С, после чего выполняют быстрое охлаждение жидкостью под давлением 8-10 атм в процессе свободного падения детали в кольцевом спрейере. После быстрого охлаждения осуществляется охлаждение в спокойной охлаждающей жидкости. Установка, реализующая этот способ, содержит охлаждающую камеру, соединенную с емкостью, заполненную охлаждающей жидкостью, механизм загрузки и выгрузки деталей, системы фильтрации, охлаждения и контроля охлаждающей жидкости с обеспечением замкнутого цикла. Охлаждающая камера выполнена в виде кольцевого спрейера с углом наклона струй от 0 до 45°.The closest in technical essence and taken as a prototype is a method for thermoplastic hardening of parts and installation for its implementation (RF Patent No. 2258086, class C21D 9/00, C21D 1/62, author Krutsilo VG, RU, 2005). The parts are heated above 600 ° C, after which they are rapidly cooled by liquid at a pressure of 8-10 atm during the free fall of the part in an annular sprayer. After rapid cooling, cooling is carried out in a calm coolant. An installation that implements this method comprises a cooling chamber connected to a container filled with coolant, a mechanism for loading and unloading parts, a filtration, cooling and coolant control system with a closed loop. The cooling chamber is made in the form of an annular sprayer with an angle of inclination of the jets from 0 to 45 °.

Недостатками данного способа являются: ограничение температуры нагрева изделия до температуры фазовых превращений, что создает условия только теплового воздействия на создание сжимающих напряжений без упрочнения структуры изделия за счет фазовых превращений; ограничение возможности регулирования скорости и времени быстрого охлаждения. Недостатком установки являются ограниченные технологические возможности, не позволяющие осуществлять термопластическое упрочнение деталей с широким регулированием режимов. В стадии быстрого охлаждения время упрочнения определяется свободным падением упрочняемой детали в струйном потоке спрейера и может быть незначительно увеличено за счет его высоты. При охлаждении в спокойной жидкости детали располагаются в контейнере закалочного бака друг на друге внавал. Охлаждение поверхности деталей происходит неравномерно, что негативно сказывается на качестве термообработки.The disadvantages of this method are: limiting the temperature of the heating of the product to the temperature of phase transformations, which creates the conditions of only thermal effects on the creation of compressive stresses without strengthening the structure of the product due to phase transformations; limiting the ability to control the speed and time of rapid cooling. The disadvantage of the installation is the limited technological capabilities that do not allow thermoplastic hardening of parts with wide regulation of the modes. In the stage of rapid cooling, the hardening time is determined by the free fall of the hardened part in the spray stream of the sprayer and can be slightly increased due to its height. When cooled in a still liquid, the parts are located in a quench tank container on top of each other. The cooling of the surface of the parts occurs unevenly, which negatively affects the quality of heat treatment.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение качества и производительности операции закалки пружинных клемм при их массовом производстве.The technical result of the invention is to improve the quality and productivity of the operation of hardening of spring terminals in their mass production.

Технический результат достигается тем, что нагретую до температуры аустенизации пружинную клемму, быстро охлаждают в струйном потоке закалочной жидкости в интервале температур перлитного и мартенситного превращений до 80-120°С. В зависимости от конфигурации и размеров изделия скорость струйного потока устанавливается в диапазоне 5-15 м/с, удельный расход регулируется в диапазоне 20-60 см³/(см²·с) с обеспечением скорости охлаждения детали в интервале 100-600°С/с, а температура закалочной жидкости поддерживается в пределах 30-60°С.The technical result is achieved by the fact that the spring terminal heated to the austenitization temperature is quickly cooled in the stream of quenching fluid in the temperature range of pearlite and martensitic transformations to 80-120 ° C. Depending on the configuration and dimensions of the product, the speed of the jet stream is set in the range of 5-15 m / s, the specific flow rate is regulated in the range of 20-60 cm ³ / (cm ² · s) to ensure the cooling rate of the part in the range of 100-600 ° C / s, and the temperature of the quenching fluid is maintained within 30-60 ° C.

Установка для закалки пружинных клемм включает насос высокого давления, накопительный бак, стабилизатор температуры, фильтр и охлаждающую камеру, в которой установлены спрейер, склиз и транспортер. На выходе спрейера установлена заслонка, соединенная с приводом, обеспечивающим открывание и закрывание заслонки по времени и ее вибрацию в закрытом положении. Внутреннее пространство спрейера повторяет конфигурацию пружинной клеммы с минимальным зазором, а транспортер обеспечивает окончательное охлаждение пружинных клемм в неподвижной закалочной жидкости и выгрузку из охлаждающей камеры.The spring terminal quenching installation includes a high pressure pump, a storage tank, a temperature stabilizer, a filter and a cooling chamber, in which a sprayer, skliz and conveyor are installed. At the outlet of the sprayer, a damper is installed, connected to the actuator, which ensures the opening and closing of the damper in time and its vibration in the closed position. The internal space of the sprayer repeats the configuration of the spring terminal with a minimum clearance, and the conveyor provides final cooling of the spring terminals in a stationary quenching fluid and unloading from the cooling chamber.

Данная технология закалочного охлаждения клемм быстродвижущимся потоком закалочной жидкости в интервале температур перлитного и мартенситного превращений обеспечивает одинаковую скорость отвода тепла со всей поверхности пружинной клеммы и соответственно равномерную скорость охлаждения по сечению изделия. В поверхностном слое пружинных клемм образуются равномерные сжимающие напряжения в диапазоне 300-800 МПа в зависимости от применяемой марки стали. Указанные факторы обеспечивают получение требуемой микроструктуры стали и препятствуют образованию закалочных трещин. За счет выбора оптимальных режимов охлаждения предлагаемый способ позволяет повысить качество закалки пружинных клемм различной конфигурации, изготовленных из пружинных сталей разных марок. Время закалочного охлаждения составляет 5-7 с, что особенно важно при массовом производстве пружинных клемм. Поддержание в способе температуры закалочной жидкости в диапазоне 30-60°С, скорости потока закалочной жидкости 5-15 м/с и удельного расхода 20-60 см³/(см²·с) позволяет получить высокие скорости охлаждения изделия от 100 до 600°С/с при избыточном давлении в закалочном устройстве 0,5-1,5 атм и сравнительно простом охлаждении закалочной жидкости - с помощью воздушных калориферов.This technology of quenching cooling of terminals with a fast-moving flow of quenching fluid in the temperature range of pearlite and martensitic transformations provides the same rate of heat removal from the entire surface of the spring terminal and, accordingly, a uniform cooling rate over the cross section of the product. In the surface layer of the spring terminals, uniform compressive stresses are formed in the range of 300-800 MPa, depending on the steel grade used. These factors provide the desired microstructure of the steel and prevent the formation of quenching cracks. By choosing the optimal cooling conditions, the proposed method improves the quality of hardening of spring terminals of various configurations made of spring steels of different grades. The quenching cooling time is 5-7 s, which is especially important in the mass production of spring terminals. Maintaining in the method a temperature of quenching fluid in the range of 30-60 ° C, a flow rate of quenching fluid of 5-15 m / s and a specific flow rate of 20-60 cm ³ / (cm ² · s) allows to obtain high cooling rates of the product from 100 to 600 ° C / s at an excess pressure in the quenching device of 0.5-1.5 atm and relatively simple cooling of the quenching liquid - using air heaters.

Достоинством предлагаемой конструкции установки является равномерность охлаждения поверхности пружинной клеммы в месте контакта с заслонкой. Минимальный зазор в размере 3-15 мм между внутренней поверхностью спрейера и пружинной клеммой обеспечивает стабильность положения клеммы относительно струйного потока и, соответственно, высокую повторяемость процесса охлаждения от изделия к изделию.The advantage of the proposed installation design is the uniform cooling of the surface of the spring terminal at the point of contact with the valve. The minimum gap of 3-15 mm between the inner surface of the sprayer and the spring terminal ensures the stability of the terminal relative to the jet stream and, accordingly, high repeatability of the cooling process from product to product.

Предлагаемый способ может быть реализован на установке, приведенной на фиг.1.The proposed method can be implemented on the installation shown in figure 1.

Установка содержит (см. Фиг.1) насос высокого давления 1, накопительный бак 2, стабилизатор температуры 3, фильтр 4, охлаждающую камеру 5, в состав которой входят плоский спрейер 6, заслонка 7, привод заслонки 8, склиз 9, транспортер 10, поддон 11. Внешний вид клеммы 12 приведен на фиг.2. На фиг.3 показано расположение отверстий 13 в боковых поверхностях спрейера 6.The installation contains (see Figure 1) a high pressure pump 1, a storage tank 2, a temperature stabilizer 3, a filter 4, a cooling chamber 5, which includes a flat sprayer 6, a shutter 7, a shutter drive 8, a slip 9, a conveyor 10, pallet 11. The appearance of the terminal 12 is shown in figure 2. Figure 3 shows the location of the holes 13 in the side surfaces of the sprayer 6.

Насос высокого давления 1 совместно с фильтром 4 и устройством стабилизации температуры закалочной жидкости 3 обеспечивают подачу очищенной от окалины и стабильной по температуре закалочной жидкости в спрейер 6. В боковых стенках спрейера 6 выполнены отверстия 13 диаметром ⌀1-4 мм, с шагом 1,5-5 мм, с углом наклона струй от 0 до 45°. Отверстия 13 располагаются по контуру пружинной клеммы 12. Внутреннее пространство спрейера 6 повторяет габаритную конфигурацию пружинной клеммы 12 с минимальным зазором 3-15 мм. Привод заслонки 8 обеспечивает открывание, закрывание заслонки 7 по времени и ее вибрацию в закрытом положении. Транспортер 10 осуществляет окончательное охлаждение пружинных клемм в неподвижной закалочной жидкости и выгрузку из охлаждающей камеры 5. Поддон 11 обеспечивает сбор переливающейся закалочной жидкости и подачу ее в фильтр 4.The high-pressure pump 1 together with the filter 4 and the temperature stabilizer of the quenching liquid 3 provide the supply of scale-free and temperature-stable quenching liquid to the sprayer 6. In the side walls of the sprayer 6 holes 13 are made with a diameter of ⌀1-4 mm, in increments of 1.5 -5 mm, with an inclination angle of jets from 0 to 45 °. The holes 13 are located along the contour of the spring terminal 12. The inner space of the sprayer 6 repeats the overall configuration of the spring terminal 12 with a minimum clearance of 3-15 mm. The drive of the shutter 8 provides the opening, closing of the shutter 7 in time and its vibration in the closed position. The conveyor 10 carries out the final cooling of the spring terminals in a stationary quenching fluid and unloading from the cooling chamber 5. The pallet 11 collects an iridescent quenching fluid and its supply to the filter 4.

Установка для закалки пружинных клемм рельсовых скреплений работает следующим образом. Разогретая до температуры 900°С пружинная клемма 12 попадает в плоский спрейер 6, в котором через отверстия подается закалочная жидкость из накопительного бака 2 насосом высокого давления 1. Температура охлаждающей жидкости поддерживается с помощью стабилизатора 3 равной 30-60°С, а давление в спрейере 6 - в пределах 0,5-1,5 атм, в зависимости от конфигурации и размеров пружинной клеммы 12. В спрейере 6 пружинная клемма 12 поддерживается снизу заслонкой 7, которая с помощью привода 8 одновременно вибрирует с частотой 5-20 Гц, тем самым, исключая постоянный контакт пружинной клеммы 12 с заслонкой 7. Время нахождения пружинной клеммы в спрейере устанавливается заранее приводом 8 в зависимости от ее конфигурации и размеров. После закалочного охлаждения пружинная клемма 12 поступает по склизу 9 на транспортер 10. Транспортер 10 перемещает пружинную клемму в неподвижной закалочной жидкости для окончательного охлаждения и выгружает клемму на операцию отпуска.Installation for hardening the spring terminals of rail fasteners works as follows. Heated to a temperature of 900 ° C, the spring terminal 12 enters a flat sprayer 6, in which quenching fluid is supplied through the openings from the storage tank 2 by the high pressure pump 1. The temperature of the coolant is maintained by means of the stabilizer 3 equal to 30-60 ° C, and the pressure in the sprayer 6 - in the range of 0.5-1.5 atm, depending on the configuration and size of the spring terminal 12. In sprayer 6, the spring terminal 12 is supported from below by a shutter 7, which simultaneously vibrates with a drive 8 at a frequency of 5-20 Hz, thereby excluding permanent the contact of the spring terminal 12 with the shutter 7. The residence time of the spring terminal in the sprayer is set in advance by the actuator 8, depending on its configuration and size. After quenching cooling, the spring terminal 12 enters the conveyor 10 along the slope 9. The conveyor 10 moves the spring terminal in a stationary quenching fluid for final cooling and unloads the terminal for a tempering operation.

Предлагаемая конструкция установки обеспечивает реализацию способа закалки пружинных клемм в процессе их быстрого охлаждения в струйном потоке закалочной жидкости с требуемыми параметрами потока и в течение заранее заданного времени в зависимости от конфигурации и размеров пружинных клемм.The proposed design of the installation provides the implementation of the method of hardening the spring terminals during their rapid cooling in the jet stream of quenching fluid with the required flow parameters and for a predetermined time depending on the configuration and size of the spring terminals.

Пример. Предлагаемые способ и устройство реализованы в составе технологической линии по производству пружинных клемм рельсовых скреплений АРС-4 и ЖБР-65 на производственном предприятии ООО «Сфера 21» г.Воронеж.Example. The proposed method and device are implemented as part of the technological line for the production of spring terminals of rail fasteners ARS-4 and ZhBR-65 at the manufacturing enterprise LLC “Sphere 21”, Voronezh.

Пружинная клемма рельсового скрепления ЖБР (Фиг.3), изготовленная из стального проката ⌀ 17 мм марки 60С2А, весом 940 г, нагретая до температуры 900°С, подается в плоский спрейер закалочной установки. Охлаждающий поток температурой 40°С формируется отверстиями спрейера диаметром 2,2 мм с шагом 4 мм, расположенными напротив контура клеммы (Фиг.3). Давление нагнетательного насоса поддерживается равным 4-5 атм, что обеспечивает удельный расход закалочной жидкости 40-45 см³/(см²·с) при давлении в спрейере 0,8-1,2 атм. Скорость охлаждения клеммы составляет 100-150°С/с. Время закалочного охлаждения составляет 5-7 с. Клемма удерживается в спрейере заслонкой, которая вибрирует с частотой 10 Гц и исключает постоянный контакт с заслонкой. После открытия заслонки изделие по склизу попадает на транспортер, лента которого движется со скоростью 20 мм/с. На транспортере располагаются 4 клеммы одновременно. Температура клемм, вышедших из охлаждающей камеры, составляет 44-46°С. Производительность закалочной установки 6 шт./мин. Указанные режимы подбирались на основе анализа макроструктуры клемм и микроструктуры образцов, вырезанных из закаленной клеммы. Экспериментальные исследования показывают, что при поддержании указанных режимов закалки обеспечиваются получение микроструктуры стали в соответствии с нормативной документацией и отсутствие закалочных трещин.The spring terminal of the rail fastening of the reinforced concrete (Fig. 3), made of rolled steel ⌀ 17 mm, grade 60С2А, weighing 940 g, heated to a temperature of 900 ° C, is fed into a flat sprayer of the quenching unit. The cooling stream with a temperature of 40 ° C is formed by the holes of the sprayer with a diameter of 2.2 mm with a pitch of 4 mm, located opposite the terminal loop (Figure 3). The pressure of the injection pump is maintained equal to 4-5 atm, which provides a specific flow rate of quenching fluid of 40-45 cm ³ / (cm ² · s) at a pressure in the sprayer of 0.8-1.2 atm. The terminal cooling rate is 100-150 ° C / s. The quenching cooling time is 5-7 s. The terminal is held in the sprayer by a damper, which vibrates at a frequency of 10 Hz and excludes constant contact with the damper. After opening the damper, the product slides onto the conveyor, the belt of which moves at a speed of 20 mm / s. There are 4 terminals on the conveyor at the same time. The temperature of the terminals emerging from the cooling chamber is 44-46 ° C. The performance of the quenching unit 6 pcs / min. The indicated modes were selected based on the analysis of the macrostructure of the terminals and the microstructure of the samples cut from the hardened terminal. Experimental studies show that while maintaining these hardening regimes, the microstructure of steel is obtained in accordance with regulatory documents and the absence of quenching cracks.

Claims

1. A method of hardening the spring terminals of rail fasteners, comprising heating the spring terminal to austenitic temperature and rapid cooling in the jet stream of quenching fluid, characterized in that rapid cooling is carried out in the temperature range of pearlite and martensitic transformations, and, depending on the configuration and size of the product, the speed of the jet flow quench fluid is set in the range of 5-15 m / s, the specific consumption is controlled in the range of 20-60 cm ³ / (cm ² · s), with provision of a cooling rate in parts Interval le 100-600 ° C / s, while the temperature of the quench fluid is maintained within 30-60 ° C.

2. Installation for hardening the spring terminals of rail fasteners, comprising a high pressure pump, a storage tank, a temperature stabilizer, a filter and a cooling chamber, in which a sprayer, skliz and conveyor are installed, characterized in that a damper is installed at the outlet of the sprayer connected to an actuator providing opening and closing the shutter in time and its vibration in the closed position, while the inner space of the sprayer repeats the overall configuration of the spring terminal with a minimum clearance.