Плазменное упрочнение гребней колесных пар

ПЛАЗМЕННОЕ УПРОЧНЕНИЕ ГРЕБНЕЙ КОЛЕСНЫХ ПАР.

В 1994 г. в локомотивном депо Златоуст была внедрена плазменная установка для упрочнения (закалки) гребней бандажей колес непосред­ственно под электровозом. По технологии, разработанной ВНИИЖТом, упрочнение ведется плазменной струей в азоте, которая образуется при горении дуги между вольфрамовым электродом и медным водоохлаждаемым соплом плазмотрона. При этом напряжение к колесу не подводится. Поскольку зона нагрева плазменной струей небольшая (5-10 мм), то упрочнение гребня производится в две дорожки при двух последовательных проходах. Разработанный технологический процесс обеспечивает глубину закаленной дорожки до 2 мм при следующем режиме: сила тока 400 А, напряжение дуги 70-90 В, скорость вращения колесной пары 500-600 мм/мин, расход азота 2,2 м^э/мин (2-2,5 баллона на электровоз ВЛ10). На закалку гребней всех колесных пар электровоза затрачивается 8 ч.

В процессе эксплуатации были пред­ложены следующие усовершенствова­ния технологии плазменного упрочне­ния. При постоянной скорости враще­ния колеса регулировка тепловложения осуществляется специально разра­ботанным механизмом осевого пере­мещения плазмотрона. Одновремен­но ведется упрочнение обоих банда­жей колесной пары. Скорость враще­ния колес была увеличена с 600 до 1250 мм/мин. Это позволило уменьшить глубину закалки до 1,5 мм и увеличить твердость закаленной дорожки до 800-900 НВ, а также избежать появления трещин.

Было разработано и внедрено уст­ройство для центрирования вольфра­мового электрода в сопле плазмотро­на, за счет чего повысилась стабиль­ность процесса и увеличилась долго­вечность сопел. Кроме того, примени­ли электроды с медной оправкой, что позволило практически полностью ис­пользовать их вольфрамовую часть (ранее куски электродов длиной менее 45 мм не могли быть использованы). В связи с тем, что медное плазмообразующее сопло имеет ограниченный ресурс работы (2,5 электровоза) и является дорогостоящей деталью, в изношенных плазмообразующих соплах стали использовать сменные графито­вые вставки. Одна графитовая вставка обеспечивает закалку трех колес.

Но несмотря на все усовершен­ствования, процесс упрочнения плаз­менной струей тем не менее имеет принципиальные недостатки: низкий коэффициент полезного действия (0,1 - 0,5) и нестабильность процесса вслед­ствие высокочастотных и низкочастот­ных колебаний дуги в сопле плазмотро­на, которая увеличивается при износе сопла. Нестабильность процесса при­водит, например, к скачкам напряже­ния с 60 до 100 В, что вызывает мгно­венное подплавление гребня бандажа. Изменение размеров плазменной струи при износе сопла, в свою очередь, приводит к различной ширине закали­ваемых дорожек на гребне бандажа, а при упрочнении второй дорожки в пер­вой возможно образование трещин.

Все это потребовало изменения тех­нологического процесса. Так, при не­больших доработках используемые сегодня плазменные установки УПН-8М были переделаны для упрочнения не струей, а дугой, которая горит не­посредственно на гребне бандажа. С этой целью к бандажу посредством графитовых скользящих щеток подво­дится напряжение. Для того чтобы обес­печить широкое тепловое воздействие на весь гребень концентрированным мощным источником, каким является плазменная дуга, ей придают попереч­ное колебание с частотой 50 Гц за счет переменного магнитного поля, созда­ваемого от катушки с сердечником.

К достоинствам использования дуги по сравнению со струей относятся: высокая стабильность процесса без скачков напряжения; одна широкая закаливаемая дорожка вместо двух; незначительный износ плазмообразу­ющих сопел (поскольку дуга горит не на соппо, а на колесо); пониженные требования к шероховатости поверхности. При этом процессе происходит уменьшение плазменной дуги, снижа­ется расход вольфрамовых электро­дов, азота и уменьшается шум в цехе. Широкая закалка в одну дорожку не приводит к образованию трещин и за счет изменения скорости вращения колеса позволяет регулировать терми­ческий цикл и получать любую задан­ную твердость закаливаемой поверх­ности. Годовой экономический эффект от снижения затрат на материалы и электроэнергию составляет 12 тыс. руб. Основной экономический эффект со­стоит в повышении качества упрочне­ния и увеличении ресурса бандажей за счет снижения числа их обточек.

Процесс упрочнения колеблющей­ся дугой в азоте позволяет получить закаленный металл на поверхности с более высокими свойствами, в то вре­мя как на воздухе происходит выгора­ние легирующих элементов и углеро­да. Кроме того, расширяется диапазон режимов упрочнения, в том числе в зимних условиях и при отпуске упроч­ненного гребня, необходимость в ко­тором возникает при обработке банда­жей с ползунами. Уменьшается также и расход катодов с циркониевыми вставка­ми и медных плазмообразующих сопел.

Двухгодичный опыт применения уп­рочнения плазменной дугой с электро­магнитными колебаниями в среде азо­та показал, что при перекалке, когда закаленный металл имеет повышенную твердость, низкую ударную вязкость и становится хрупким, на поверхности упрочненной дорожки возможно об­разование сетки наклонных (45°) мик­ротрещин. Такие поверхности изнаши­ваются быстрее вследствие выкрашивания. По этой же причине повторная закалка гребней с еще неизносивши­мися упрочненными дорожками мо­жет привести к появлению трещин. В этих условиях для обеспечения безо­пасности необходима полная обточка гребней перед новой наплавкой. При закалке после обточки с оставшимися черновинами с помощью твердомера следует убедиться в отсутствии упроч­ненного металла в этих местах. Посто­янное совершенствование технологии закалки в депо Златоуст позволило снизить износ гребней на 10 тыс.км пробега с 1,5 мм в 1998 г. до 0,5 мм в 1999г.