Проактивные ремонты в горно-металлургической отрасли

В сварных железнодорожных мостах трещины появляются неожиданно быстро, всего через 2-7 лет эксплуатации. Долгое время не могли найти причину, пока в 90-х годах не установили, что при проходе поездов в пролетных строениях мостов возникают высокочастотные вибрации. Для их предупреждения традиционные связи из прокатных уголков заменили листовыми диафрагмами, и это исключило появление трещин, даже при 10-кратной наработке [8].

На восприятие оборудованием рабочих нагрузок большое влияние оказывают концентраторы напряжений. Сам термин говорит о том, что в некоторых местах машин и механизмов, из-за конструктивных особенностей, происходит усиление напряжений. Разрушения, вызванные концентраторами напряжений, отличаются от разрушений от общих перегрузок. Когда перегрузкой охвачено все сечение детали, то разрушению предшествует пластическая деформация. Но она отсутствует, когда условие прочности нарушается только в концентраторе напряжений. По этой причине такие разрушения называют хрупкими.

Они происходят следующим образом. В концентраторе напряжений даже незначительные рабочие напряжения от собственного веса конструкции могут усиливаться до уровня предела прочности металла, что приводит к появлению микротрещины. Если острота её велика и не спадает по мере продвижения, то трещина начинает представлять собой движущийся концентратор напряжений. Поскольку превышение напряжениями предела прочности в устье трещины сохраняется, то она мгновенно проходит через все сечение. Таким образом, при отсутствии полезных нагрузок, под воздействием только собственного веса, обрушались мосты и галереи, уходили под воду танкеры [9].

Рис. 2.3. Хрупко-усталостное разрушение рукояти экскаватора: а) поломка одной из 2-х балок; б) место зарождения трещины;

в) локальный «зарез» в контуре верхнего листа балки в месте изменения его ширины

11

Важным правилом предупреждения хрупких разрушений являются недопущение скопления концентраторов напряжений (отверстий, сварных швов…). Результатом его несоблюдения явилось разрушение одной из двух балок рукояти экскаватора, На рис.2.3.а. видно, что обе части разрушившейся балки недеформированные, что указывает на хрупкий характер разрушения, произошедшего при небольшой нагрузке. На рис.2.3.б видно место начала разрушения, которое на рис.2.3.а помечено темной стрелкой. Зародившаяся трещина, прежде чем охватить все сечение, сначала продвигалась постепенно, что придало разрушению одновременно и усталостный характер. Трещина образовалась в месте (показано на рис. 2.3.а. белой стрелкой на не разрушившейся балке) изменения ширины верхнего листа. Здесь же выявлен локальный «зарез» (рис.2.3.в), появившийся при замедлении движения газового резака во время изменения направления движения. Таким образом, причиной хрупкого разрушения балки рукояти стало сосредоточение в одном месте 2-х концентраторов напряжений: один - в виде изменения ширины верхнего листа, другой - в виде локального «зареза» на его кромке.

2.2. Упрочнение рабочих поверхностей

Способы упрочнения.

Внастоящее время насчитывается более 100 способов упрочнения поверхностей. Большинство из них взаимозаменяемые, что обеспечивает большую вероятность успеха в случае использования любого из них. Поэтому предприятия, производящие машиностроительную продукцию, ограничиваются применением способов из небольшого перечня: объемная (печная) закалка с высоким отпуском, закалка ТВЧ, гальваническое хромирование, цементация, азотирование и некоторые другие. Их характеристики приведены в табл.2.1.

Впроактивных ремонтах такой подход тоже приемлем, если детали ранее использовались без упрочнения. В противном случае надо изыскивать способы упрочнения, более эффективные, чем применяемые. При простом переборе доступных применению способов упрочнения, подходящий способ может выпасть последним, что приведет к потерям времени и средств. Поэтому полезно знать некоторые правила, позволяющие минимизировать число экспериментов при выборе подходящего способа упрочнения.

Выбор способов упрочнения. По толщине упрочненного слоя.

Если деталь эксплуатируют до значительного (измеряемого миллиметрами) износа, то не всегда следует задаваться упрочнением на такую же толщину. Большой износ механизмов приводит к потерям мощности, к ударам и вибра-

12

циям, вызывающих поломки, становится причиной выпуска низкосортной продукции. Поэтому упрочнение следует рассматривать не только как средство сокращения расхода запчастей, но и как возможность исключения работы оборудования с большим износом. Упрочнение способно многократно (даже в десятки и сотни раз) замедлить изнашивание, благодаря чему необходимость в эксплуатации механизмов с большими износами отпадает.

Известен следующий пример [10]. Вкладышами штампов для формовки труб большого диаметра работали до износа 5мм, 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 ~ 2мм, при одновременном сокращении их расхода в ~ 3 раза.

13

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 перечис-

ленных 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 её 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 Св08Х14ГНТ. Если ролики из стали 45 за полгода эксплуатации уменьшались в диаметре на 15мм, то наплавленные – только на 0,5мм; 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

14

–шейка вала должна быть более твердой, чем вкладыш подшипника скольжения и по длине перекрывать последний;

–более твердые зубья шестерни по длине должны перекрывать зубья

колеса;

–маслораспределительные канавки следует выполнять не на твердой оси, а на мягкой втулке и т.п. [14].

При обсуждении способов упрочнения крановых рельс и колес высказы-

ваются 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].

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

её решению целесообразно привлекать опытных специалистов, и не проявлять

15

излишней доверчивости предложениям производителей различных защитных материалов и упрочняющих технологий.

Таблица 2.2. Влияние упрочнения на износостойкость колесной и рельсовой стали

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

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 (≥7500С) 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. Её промышленное применение в ос-

16

новном 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 ООО «Композит» (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.

б)

г)

Рис. 2.5. Плазменная закалка установкой УДГЗ - 200: а) – сварщик за закалкой; б) – закалочная дуга; в) – пальцы ковша экскаватора с плазменной закалкой; г) – макрошлиф слоя плазменной закалки.

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 её применения.

Закалка установкой УДГЗ-200, оставляя на поверхности цвета побежалости, не приводит к существенному ухудшению шероховатости в диапазоне

17

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 225т 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. Баумана - Прокошкину Д.А., который нашел способ (Авторское свидетельство 576350, 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 (~10мкм), но высокотвердого, слоя карбонит-

18

рида [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.

Несмотря на перечисленные преимущества, карбонитрация остается малоизвестной технологией. Когда, ООО «Композит», созданное в 1990г Нижнетагильским филиалом Уральского политехнического института, организовало в 2006г 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 бы-

ло. 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 лекцияхсеминарах.

Таблица 2.3.

Твердость карбонитрированных поверхностей

Карбонитрацию отличает следующее:

превосходит гальваническое хромирование;

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

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 годовой расход валов-шестерней редуктора

19

перемещения карьерного бурового станка СБШ-250 [26]. Процесс карбонитрации происходит в ваннах с размерами Ø450 х 900мм. Более длинные детали ставятся на карбонитрацию поочередно с обоих концов.

Таблица 2.4 Расход валов-шестерней редуктора бурового станка СБЩ-250

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. Вы-

пускаются (www. mec-castolin.ru) биметал-

лические плиты (рис.2.5) с наплавленным износостойким (HRC64) слоем. Имеется возможность их вальцовки с радиусом

≥300мм.

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)

Наиболее низким коэффициентом трения обладает фторопласт. Его синтезируют в виде порошка, из которого прессуют с последующим спеканием заготовки и готовые детали. Но при длительных, даже небольших, нагрузках он пластически деформируется. Чтобы повысить его прочность при прессовании

20