Conference PaperPDF Available

НОВА ТЕХНОЛОГИЯ ЗА ДЪЛБОЧИННО-ПОВЪРХНОСТНО УЯКЧАВАНЕ ЧРЕЗ КОМБИНИРАНО ИНДУКЦИОННО И ГАЗО-ПЛАМЪЧНО НАГРЯВАНЕ NEW TECHNOLOGY FOR SURFACE HARDENING IN DEPTH BY COMBINED INDUCTION AND GAS-FLAME HEATING НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ГЛУБИННО-ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИНДУКЦИОННОГО И ГАЗО-ПЛАМЕННОГО НАГРЕВА

Authors:

Abstract

The results of the technological investigation for hardening of large traversing wheels for mining-metallurgical equipment are presented in this paper. The details' dimensions are: diameter 630-2050 mm, traversing part width (height) 180-190 mm, hardened area of the working surface 6023-21532 cm 2 , weight 380-3400 kg. They were made of steel GS 42CrMo49(Q+T), DIN-EN 10290, and they should meet the requirements about hardness of the working surfaces of 50+4 HRC with hardened layer depth (up to 40 HRC) – 18+4 mm. The test quenching is realized in simultaneously using of low frequency generator, inductor with consumed power about 200 kW and air-gas burners (propane-butane). The heating was made on the installation with vertical rotation axis in simultaneously power impact on the whole heated working surface. For the wheel with diameter 2050 mm it was carried out by the especially designed inductor and 12 air-gas burners. The temperature 880 o C was reached on the periphery after heating in about 50 min. After that the detail was transported and immersed into a bath with 25% water solution of polymer ZAKALIN-B. For reaching the temperature 180-200 o C on the working surfaces it was cooled for about 8 min. The periphery hardness, measured by EQUTIP 2, was 56-57 HRC. The following tempering was carried out. On the test sample the control of the hardness in depth was made along the 7 directions. It shows that the surface hardness is 52-50 HRC; the hardness in 15mm depth is 49-41 HRC, in 20mm depth -46-36 HRC and in 25mm depth -41-34 HRC. The investigated method allows the high efficiency of the induction heating to be combined with the large power of the gas-flame heating for reaching the effect of the surface hardening in depth and satisfying the quality requirements. 1. Увод Обемното и повърхностно закаляване са класически технологии за уякчаване на детайли от общото, специално и тежко машиностроене [1]. Нагряването на целия или определена част от обема става чрез пещно, индукционно или газо-пламъчно нагряване. Тези методи са приложими за голямогабаритни изделия, наред с използването на лазерно, електронно-лъчево, дъго-плазмено, електросъпротивително и др. методи на въздействие за детайли, чиито уякчаеми обеми са по-малки [2,3]. Относително най-голям коефициент на полезно действие предлага метода на индукционно нагряване [4], при който могат да се постигнат резултати, отговарящи на техническите изисквания при рационална и икономична конструкция на индуктори и охлаждащи устройства [5,6]. Ефективността на метода се отнася за мощности не по-големи от 200-300 kW. В този диапазон са конструирани и се използват съвременни тиристорни и транзисторни честотни преобразуватели [6]. По принцип за тези мощности се прилагат ниски и средни честоти (1-10 kHz) [3]. При нагряването на относително малки обеми за нуждите на повърхностното закаляване тези честоти и мощности са приложими. За голямогабаритни детайли от тип "колело-ходово" с изискване за уякчени слоеве с дълбочина от повърхността над 10 mm, възможностите на индукционното нагряване се ограничават от нeдостатъчната мощност. Опитът ни в последните години показа възможност за реално приложение на газо-пламъчно нагряване за уякчаване по периферията чрез дълбочинно нагряване на детайли с диаметър до 1500 mm. Дълбочината на нагрявание и уякчения слой се регулират посредством реализираната мощност (от порядъка на 300 kW), времето на нагряване и параметрите на охлаждане [7,8,9]. Недостатък на технологията за пламъчно нагряване е голямото разсейване на топлинната мощност на горелките от нагряване на въздушната среда, при което коефициента на полезно действие е значително по-малък от 50%. Целта на настоящата работа е да се изследва и експериментира технологичен вариант на комбинирано (съвместно) индукционно и газо-пламъчно нагряване с локално изолиране на нагревните повърхности чрез ограничаване топлообмена с околната среда. Това се налага за постигане на техническите изисквания към големи ходови колела с диаметър до 2500 mm и маса до 4000 kg. Детайли с подобни габарити се прилагат в тежкото машиностроене при задвижвания и изпълнителни механизми за минно обогатително, геоложко, металургично и друго подобно предназначение.
НОВА ТЕХНОЛОГИЯ ЗА ДЪЛБОЧИННО-ПОВЪРХНОСТНО
УЯКЧАВАНЕ ЧРЕЗ КОМБИНИРАНО ИНДУКЦИОННО И
ГАЗО-ПЛАМЪЧНО НАГРЯВАНЕ
NEW TECHNOLOGY FOR SURFACE HARDENING IN DEPTH BY COMBINED
INDUCTION AND GAS-FLAME HEATING
НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ГЛУБИННО-ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ С
ПРИМЕНЕНИЕМ ИНДУКЦИОННОГО И ГАЗО-ПЛАМЕННОГО НАГРЕВА
Prof. DSc Stavrev D¹., Assoc. Prof. Dr. Dikova Ts, MSc. Ivanova D
¹Technical University of Varna, Bulgaria
² Faculty of Dental Medicine, Medical University of Varna, Bulgaria
E-mail: d_stavrev@abv.bg, E-mail: tsanka_dikova@abv.bg
Abstract: The results of the technological investigation for hardening of large traversing wheels for mining-metallurgical equipment are
presented in this paper. The details’ dimensions are: diameter 630-2050 mm, traversing part width (height) 180-190 mm, hardened area of
the working surface 6023-21532 cm2, weight 380-3400 kg. They were made of steel GS 42CrMo49(Q+T), DIN-EN 10290, and they should
meet the requirements about hardness of the working surfaces of 50+4 HRC with hardened layer depth (up to 40 HRC) 18+4 mm. The test
quenching is realized in simultaneously using of low frequency generator, inductor with consumed power about 200 kW and air-gas burners
(propane-butane). The heating was made on the installation with vertical rotation axis in simultaneously power impact on the whole heated
working surface. For the wheel with diameter 2050 mm it was carried out by the especially designed inductor and 12 air-gas burners. The
temperature 880oC was reached on the periphery after heating in about 50 min. After that the detail was transported and immersed into a
bath with 25% water solution of polymer ZAKALIN-B. For reaching the temperature 180-200oC on the working surfaces it was cooled for
about 8 min. The periphery hardness, measured by EQUTIP 2, was 56-57 HRC. The following tempering was carried out. On the test sample
the control of the hardness in depth was made along the 7 directions. It shows that the surface hardness is 52-50 HRC; the hardness in
15mm depth is 49-41 HRC, in 20mm depth - 46-36 HRC and in 25mm depth - 41-34 HRC. The investigated method allows the high efficiency
of the induction heating to be combined with the large power of the gas-flame heating for reaching the effect of the surface hardening in
depth and satisfying the quality requirements.
Keywords: NEW TECHNOLOGY, SURFACE HARDENING, COMBINED HEATING
1. Увод
Обемното и повърхностно закаляване са класически
технологии за уякчаване на детайли от общото, специално и
тежко машиностроене [1]. Нагряването на целия или
определена част от обема става чрез пещно, индукционно или
газо-пламъчно нагряване. Тези методи са приложими за
голямогабаритни изделия, наред с използването на лазерно,
електронно-лъчево, дъго-плазмено, електросъпротивително и
др. методи на въздействие за детайли, чиито уякчаеми обеми са
по-малки [2,3].
Относително най-голям коефициент на полезно действие
предлага метода на индукционно нагряване [4], при който
могат да се постигнат резултати, отговарящи на техническите
изисквания при рационална и икономична конструкция на
индуктори и охлаждащи устройства [5,6]. Ефективността на
метода се отнася за мощности не по-големи от 200-300 kW. В
този диапазон са конструирани и се използват съвременни
тиристорни и транзисторни честотни преобразуватели [6]. По
принцип за тези мощности се прилагат ниски и средни честоти
(1-10 kHz) [3]. При нагряването на относително малки обеми за
нуждите на повърхностното закаляване тези честоти и
мощности са приложими. За голямогабаритни детайли от тип
„колело-ходово” с изискване за уякчени слоеве с дълбочина от
повърхността над 10 mm, възможностите на индукционното
нагряване се ограничават от нeдостатъчната мощност. Опитът
ни в последните години показа възможност за реално
приложение на газо-пламъчно нагряване за уякчаване по
периферията чрез дълбочинно нагряване на детайли с диаметър
до 1500 mm. Дълбочината на нагрявание и уякчения слой се
регулират посредством реализираната мощност (от порядъка на
300 kW), времето на нагряване и параметрите на охлаждане
[7,8,9]. Недостатък на технологията за пламъчно нагряване е
голямото разсейване на топлинната мощност на горелките от
нагряване на въздушната среда, при което коефициента на
полезно действие е значително по-малък от 50%.
Целта на настоящата работа е да се изследва и
експериментира технологичен вариант на комбинирано
(съвместно) индукционно и газо-пламъчно нагряване с локално
изолиране на нагревните повърхности чрез ограничаване
топлообмена с околната среда. Това се налага за постигане на
техническите изисквания към големи ходови колела с диаметър
до 2500 mm и маса до 4000 kg. Детайли с подобни габарити се
прилагат в тежкото машиностроене при задвижвания и
изпълнителни механизми за минно обогатително, геоложко,
металургично и друго подобно предназначение.
2. Експериментално-технологична концепция
2.1. Експериментални детайли.
На технологично въздействие при дълбочинно-
повърхностно уякчаване са подложени ходови колела с
Фиг. 1 Колело ходово за дълбочинно-повърхностно
уякчаване
Ø2050
Ø400
Ø1900
190
конструкция, показана на фиг.1. Техническите изисквания за
дълбочинно-повърхностно уякчаване са както следва: Твърдост
по работната повърхност: 50+4 HRC; дълбочина на уякчения
слой: 18+4 mm; гранична твърдост на дълбочина 18 mm от
повърхността: 40 HRC. Материалът на детайлите е GS-
42CrMo4 по DIN-EN 17025 (W№1.7225). Химичният състав и
механичните свойства след подобряване са показани на
таблица 1.
2.2. Съоръжения
Конструирано и компановано е съоръжение за
осъществяване на технологията с принципна схема, показана
на фиг.2. Енергитичната съоръженост включва генератор
индукционен тиристорен, газова инсталация и съоръжение за
охлаждане. Генараторът е с номинална честота 1 kHz,
максимална мощност 300 kW. Комплектован е с
трансформатор закалъчен за работно напрежение 37-150 V и
максимална мощност 800 kW. Газовата инсталация е
схематично показана на фиг 3. Състои се от цистерна с
вместимост 10 m3 пропан-бутан, изпарител с производителност
150 kg/h, тръбопроводна газова арматура и разпределителен
колектор. Съоръжението за охлаждане представлява
конструирана и изработена за целта вана с размери
3500х3500х1500 mm с полезен работен обем 15 m3. Ваната е
заредена с 25% воден разтвор на концентрат “Zakalin Bпри
температура преди началото на охлаждане 15-20оС.
2.3. Технологична екипировка
Конструиран и изработен е индуктор с пределна
индуктирана мощност 250 kW и ток 450 А. Индукторът е
показан на фиг. 4. Използвани са универсални въздушно-
газови горелки “Propanline Ideal” с технически данни: дюза –
Ф60; налягане на газа 1,5-4 bar; консумация на газ 5030-
9744 gr/h; мощност – 64,74-125,41 kW. С цел ограничаване
топлоотдаването от нагрявания обем към околната среда е
конструиран и изработен мобилен изолационен кожух,
подплатен с керамична вата. Той се монтира по периферията на
колелото, (фиг.5).
2.4. Разположение на екипировката спрямо
обработваемия детайл
На фиг.5 е показана схемата на разположението на
индуктора, горелките и топлоизолационния кожух спрямо
обработваемото ходово колело. Горелките са разположени по
Химичен
състав, %
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
0,38-0,54
0,60
0,60-1,00
<0,020
<0,015
0,80-1,20
0,20-0,30
Механични
свойства
Rm, N/mm2
Remin, N/mm2
Amin, %
850-1000
700
10
2
3
4
5
6
7
8
9
1
Фиг.2 Технологично съоръжение за дълбочинно-повърхностно нагряване:1-детайл; 2-индуктор; 3-газова горелка; 4-
устройство за въртене; 5- изолационен кожух; 6-трансформатор; 7,8-подавателни маси; 9-пулт за управление.
Фиг.4 Индуктор за повърхностно-дълбочинно
нагряване на детайл колело ходово Ø2050mm
(схема).
Фиг.3 Схема на газовата инсталация.
Цистерна с
пропан-бутан
Изпарител
Разпределителен
колектор
Детайл
периферията съгласно схемата и са под ъгъл 30° в
хоризонталната равнина спрямо тангентата (фиг.6). Броят на
горелките за колело с външен диаметър Ф2050 е 12.
3. Резултати от експериментирането на
технологията.
След отливане, нормализация, подобряване и механична
обработка, детайла се подлага на комбинирано индукцирано-
пламъчно нагряване, премества се до вана охлаждаща и се
охлажда. Нагряването върху уредбата (фиг.7) се извършва по
време-температурен режим, показан в таблица 2, при
непрекъснато въртене на колелото с ъглова скорост 0,3 rad/s.
При приключване на нагряването и достигане на температура
880°С колелото се захваща с приспособление и чрез подемно-
транспортиращо устройство се пренася до ваната за охлаждане.
Транспортирането е с продължителност 35s, при което
температурата на периферията на колелото се понижава до 860-
865°С, (фиг.8). Охлаждането след потопяване във ваната е с
продължителност 8 min, при което се постига температура в
уякчената зона 180-200°С. Водополимерната охлаждаща
течност във ваната се разбърква интензивно и се осигурява
принудително циркулиране за поддържане интензивността на
охлаждане. След дълбочинно-повърхностното закаляване се
провежда операцията отвръщане чрез престояване в пещ при
280°С с продължителност 5 h.
3.1. Контрол на качеството
Контролира се твърдостта след охлаждане по периферните
повърхности на ходовата част по метода Leeb(HL) чрез
ползване на преносим твърдомер EQUTIP 2 с накрайник E.
Средните твърдости от измерванията по отделните повърхнини
са показани на фиг.9.
След отвръщане и съответна фрезова обработка на
напречното сечение на уякчената периферия на колелото се
провежда измерване на твърдост по дълбочина по схемата,
показана на фиг.10. Графичното представяне на резултатите от
измерените твърдости в направления А, B и C е показано на
фиг.11.
4. Изводи и заключение
На базата на изложението могат да се направят следните
обобщения:
Таблица 2.
Време-температурен режим на нагряване.
Продължителност,
min
17
20
25
35
40
50
Температура, °С
500
600
700
750
800
880
Фиг.6 Разположение на газовите горелки спрямо
периферията на колелото.
30о
30о
Фиг.5 Разположение на индуктора и газовите
горелки за повърхностно-дълбочинно нагряване
колело ходово (схема).
Фиг.7 Комбинирано индукционно-пламъчно нагряване на
колело ходово Ø2050 mm.
Tпов.~865оС
Фиг.8 Транспортиране до ваната за охлаждане.
Създадена е и експериментирана технология, съоръжение
и екипировка за дълбочинно-повърхностно уякчаване на
големи ротационни детайли тип „колело ходово” посредством
комбинирано индукционно и газопламъчно нагряване.
При нагряването е използван високомощен нискочестотен
генератор със закалъчен трансформатор и индуктор в
комбинация с въздушно-газови горелки, разположени по
нагряваната периферия на детайла. Нагряването се извършва
при непрекъснато въртене около вертикална ос.
За ограничаването на топлообмена с околната среда е
приложен мобилен кожух, обхващащ нагряваната зона, при
което времето за нагряване до 880°С е сведено до 50 min за
конкретния детайл.
Охлаждането се извършва чрез потапяне във вана с 25%
воден разтвор на полимерен концентрат Zakalin B в
продължение на 8 min, при което температурата на детайла в
областта на уякчаването се понижава до 180-200°С.
Технологията е приложима за изделия от подобряеми
стомани, при което се постига за стомана GS-42CrMo4
максимална твърдост на уякчаваните повърхности 55-57 HRC.
Тази твърдост се понижава плавно в дълбочина 18-25 mm, като
достига стойност 40 HRC, измерена след окончателно
отвръщане при 280°С в продължение на 5 h.
Постигнатите резултати удовлетворяват техническите
изисквания за дълбочинно-повърхностно уякчаване на големи
детайли тип ходови колела с диаметър до 2500 mm. и маса до
4000 kg., обект на изработване в тежкото машиностроене.
5. Литература
1. Technologie der Wärmebehandlung von Stahl, VEB Deutscher
Verlag für Grundstiffindustrie, Leipzig, 1987, 672s.;
2. Warnecke H.-J. Einführung in die Fertigungs technik, B.G.
Teubnet, Stuttgart, 1993, 428s.;
3. Большаков В.И., Долженков И.Е., Долженков В.И.,
Технология термической и комбинированной обработки
металлопродукции, Днепропетровск, Gaideamus, 2002, 386с.;
4. Головин Г.Ф., Зимин Н.В., Технология термической
обработки металлов с применением индукционного нагрева,
Ленинград, Машиностроение, 1990, 87 с.;
5. Слухоцкий А. Е., Индукторы, Ленинград, Машиностроение,
1989г.
6. Rudnev V., Loveless D., Raymond C., Handbook of Induction
Heating, Library of Congress, 2003;
7. Ставрев Д., Тонев Б., Цанчев П., Дикова Ц., Тодоров А.,
Повърхностно дълбочинно уякчаване на ходови колела на
подемно-транспортни машини, Машиностроене и
електротехника, №4-5, 2006, с. 132-135;
8. Stavrev D., Tonev B., Tsanchev P., Dikova Ts., Todorov A.,
Surface Hardening in Depth of the Traversing Wheels of
Mechanical Handling Machines, 12 International Metallurgy &
Materials Congress, 28 Sept. 02 Oct. 2005, Istanbul Turkey,
p.1728-1734;
9. Stavrev D., Dikova Ts., Method for in Depth Surface Thermal
Hardering, Maschines technologies, Materials, Sixth International
Congress, 18-20 02.2009, Sofia, Bulgaria, Volume 2 Technologies,
Management, p. 5-8.
30
25
20
15
10
5
2
Фиг.10 Направление на измерената
твърдост в дълбочина на закаления слой
след повърхностно закаляване на колело
ходово.
Фиг.9 Измерена твърдост по работните повърхности на
колело ходово след повърхностно-дълбочинно закаляване.
57,1HRC
56,4HRC
56,8HRC
56,2HRC
56,3HRC
57,3HRC
Фиг.11 Разпределение на твърдостта в дълбочина по
различните направления на колело ходово след
повърхностно закаляване.
20
25
30
35
40
45
50
55
0 5 10 15 20 25 30
Rазстояние от повърхността, mm
Твърдост, HRC
III III IV
VVI VII VIII
ResearchGate has not been able to resolve any citations for this publication.
Технология термической обработки металлов с применением индукционного нагрева
  • Г Ф Головин
  • Н В Зимин
Головин Г.Ф., Зимин Н.В., Технология термической обработки металлов с применением индукционного нагрева, Ленинград, Машиностроение, 1990, 87 с.;
  • H.-J Warnecke
Warnecke H.-J. -Einführung in die Fertigungs technik, B.G. Teubnet, Stuttgart, 1993, 428s.;
Технология термической и комбинированной обработки металлопродукции
  • В И Большаков
  • И Е Долженков
  • В И Долженков
Большаков В.И., Долженков И.Е., Долженков В.И., Технология термической и комбинированной обработки металлопродукции, Днепропетровск, Gaideamus, 2002, 386с.; 4. Головин Г.Ф., Зимин Н.В., Технология термической обработки металлов с применением индукционного нагрева, Ленинград, Машиностроение, 1990, 87 с.;
Повърхностно дълбочинно уякчаване на ходови колела на подемно-транспортни машини, Машиностроене и електротехника
  • Д Ставрев
  • Б Тонев
  • П Цанчев
  • Ц Дикова
  • А Тодоров
Ставрев Д., Тонев Б., Цанчев П., Дикова Ц., Тодоров А., Повърхностно дълбочинно уякчаване на ходови колела на подемно-транспортни машини, Машиностроене и електротехника, №4-5, 2006, с. 132-135;
Surface Hardening in Depth of the Traversing Wheels of Mechanical Handling Machines, 12 International Metallurgy & Materials Congress
  • D Stavrev
  • B Tonev
  • P Tsanchev
  • Dikova Ts
  • A Todorov
Stavrev D., Tonev B., Tsanchev P., Dikova Ts., Todorov A., Surface Hardening in Depth of the Traversing Wheels of Mechanical Handling Machines, 12 International Metallurgy & Materials Congress, 28 Sept. -02 Oct. 2005, Istanbul -Turkey, p.1728-1734;
  • D Stavrev
  • Dikova Ts
Stavrev D., Dikova Ts., Method for in Depth Surface Thermal Hardering, Maschines technologies, Materials, Sixth International Congress, 18-20 02.2009, Sofia, Bulgaria, Volume 2 Technologies, Management, p. 5-8.