СПОСОБ ЗАКАЛКИ ДИСКОВЫХ ПИЛ Российский патент 1998 года по МПК C21D1/44 

Изобретение относится к области термической обработки изделий в электролите и может быть использовано для закалки зубьев дисковых пил холодной резки труб и гнутого профильного проката.

Дисковые пилы холодной резки труб и гнутого профильного проката имеют диаметр 600-900 мм при толщине 5 мм. Они должны обладать высокой износостойкостью зубьев и выдерживать ударные нагрузки, возникающие в линии профилегибочного стана от движущегося проката. Дисковые пилы изготавливают из листовой хромистой стали. После нарезки зубьев по периферии диска их подвергают закалке для повышения твердости и эксплуатационной стойкости. Поскольку дисковая пила имеет значительный диаметр и малую толщину, при обычных способах закалки (например, объемной) имеет место деформирование пилы из-за термических напряжений (поводки), пила теряет плоскую форму и становится непригодной к эксплуатации. Закалка с электроконтактным нагревом только зубчатого венца пилы не обеспечивает ее высокой стойкости. Более перспективной оказалась электролитно-плазменная закалка дисковых пил.

Известен способ закалки стальных изделий, согласно которому деталь погружают в проточный электролит, представляющий из себя 15%-й раствор кальцинированной соды в воде, и нагревают деталь пропусканием через нее технологического электрического тока. В процессе нагрева технологический ток периодически отключают и пропускают через электролит измерительный ток при напряжении 22 В и мощности 2,5 кВт. О температуре нагрева детали судят по времени задержки появления в измерительной цепи тока силой 20 A [1].

Известный способ не пригоден для закалки дисковых пил холодной резки, т. к. вызывает деформацию диска пилы, не обеспечивает стабильности закалки и механических свойств зубьев по окружности пилы.

Известен также способ закалки стальных листов, включающий электролитно-плазменный нагрев локальных участков листа и охлаждение жидкости, по которому участки листа нагревают с одной его стороны до температуры аустенитизации на другой стороне, с размером участка нагрева, не более 4-5 толщин листа, при одновременном охлаждении периферии нагреваемых участков, а после нагрева лист охлаждают с двух сторон [2].

Данный способ также не пригоден для закалки зубьев дисковых пил холодной резки, он не позволяет обеспечить оптимальные и равномерные механические свойства режущих частей зубьев по всей окружности пилы.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ закалки деталей, в том числе и дисковых пил из хромистых сталей, согласно которому деталь погружают в проточный электролит и пропускают через него импульсы электрического тока с различным напряжением: вначале импульс продолжительностью 3-5 секунд с напряжением 10-40 В для нагрева электролита до 45-60^oC, а затем - с напряжением 100-300 В для нагрева изделия под закалку [3] - прототип.

Недостатки известного способа состоят в следующем. Зубья пилы имеют относительно малое сечение и острые режущие кромки. После низковольтного импульса с напряжением 10-40 В при подаче высокого напряжения 100-300 В между зубьями пилы и электролитом возбуждается высокотемпературная струя плазмы (горит электрическая дуга). За счет тепловыделения плазмы происходит быстрый разогрев зубьев пилы. Острые режущие кромки зубьев разогреваются наиболее интенсивно, что приводит к их оплавлению. Поскольку теплоотвод от зубьев в тело диска пилы снижен (вследствие малого сечения зуба), имеет место перегрев зубьев с образованием пережога - окисления границ зерен микроструктуры стали. В результате снижается стойкость дисковых пил.

Цель предлагаемого изобретения состоит в повышении стойкости дисковых пил.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе закалки дисковых пил из хромистых сталей, включающем погружение зубьев в проточный электролит, пропускание через него импульсов электрического тока и последующее охлаждение зубьев, согласно предложению плотность тока в импульсе устанавливают 7-10 А/см² при длительности импульса 1-3 с и скважности 1,2-1,8, а в периодах между импульсами плотность тока поддерживают 4,2-5,9 А/см², при этом продолжительность пропускания импульсов 4-10 с.

Известное и предложенное технические решения имеют следующие общие признаки. Оба они являются способами закалки деталей, в том числе, следовательно, и дисковых пил из хромистых сталей. Оба включают погружение детали в проточный электролит. В обоих случаях через электролит между деталью и анодом пропускают импульсы электрического тока для нагрева детали. В обоих случаях после нагрева деталь охлаждают.

Отличия предложенного способа состоят в том, что плотность тока в импульсе устанавливают равной 7-10 А/см² при длительности импульса 1-3 с и скважности 1,2-1,8, тогда как в известном импульс характеризуется напряжением 10-40 В при токе 30-40 А и имеет продолжительность 3-5 с для нагрева электролита до 40-60^oC. В предложенном способе в периодах между импульсами плотность тока поддерживают равной 4,2-5,9 А/см², тогда как в известном - разогрев осуществляют током 80-100 А при подводимом напряжении 220-370 В. И, наконец, в предложенном способе продолжительность пропускания импульсов составляет 4-10 с, а в известном - данный параметр отсутствует.

Указанные отличительные признаки проявляют во всей совокупности новые свойства, не присущие им в известных совокупностях признаков, и заключающиеся в повышении стойкости дисковых пил холодной резки труб и гнутого профильного проката. Хотя обработка металлических изделий в электролите с пропусканием через него импульсов электрического тока с напряжением 200-300 В, а в периодах между импульсами с напряжением 20-50 В сама по себе известна (см. авт. св. СССР N 1611625, кл. B 23 K 7/06, 1990 г.), указанные технологические операции производятся с другой целью - повышения качества и производительности зачистки поверхности, в частности устранения заусенцев и острых кромок. В предложенном способе необходимо именно сохранить острые кромки зубьев и повысить эксплуатационную стойкость дисковых пил. Это свидетельствует о соответствии предложенного технического решения критерию "существенность отличий".

Сущность изобретения состоит в следующем. При пропускании постоянного тока с плотностью 7-10 А/см² через электролит плазменная дуга интенсивно разогревает зубья пилы. Поскольку продолжительность импульса ограничена 1-3 с, оплавления острых кромок зубьев не достигается. При скважности импульсов 1,2-1,8, в периодах между импульсами плотность тока снижена, температура плазмы уменьшается и имеет место прогрев зубьев в глубину без опасности оплавления острых кромок. Температура поверхностных слоев металла зубьев понижается. Следующий импульс тока с плотностью 7-10 А/см² вновь интенсивно разогревает зубья, но за период 1-3 с температура на острых кромках не достигает температуры пережога и оплавления, после чего вновь в периодах между импульсами при плотности тока 4,2-5,9 А/см² происходит выравнивание температуры по сечению зубьев: температура на поверхности понижается, а в центральных частях непрерывно возрастает. И так за 4-10 с обработки импульсами тока различной плотности зубья разогреваются до температуры закалки хромистой стали, равной 820-870^oC. Поскольку время разогрева под закалку мало, металл зубьев имеет мелкозернистую микроструктуру и после закалки (охлаждения в водном растворе) зубья приобретают высокую твердость и износостойкость. За столь короткое время нагрева 4-10 с тепло не успевает распространиться в тело диска, что исключает возможность коробления дисковой пилы в процессе закалки.

Экспериментально установлено, что при плотности тока менее 7 А/см² или продолжительности импульса менее 1 с не обеспечивается оптимальная интенсивность нагрева и температура закалки, что снижает стойкость дисковых пил. Увеличение плотности тока более 10 А/см² или длительности импульса более 3 с приводит к оплавлению острых кромок зубьев, что недопустимо.

Уменьшение скважности импульсов менее 1,2, как и увеличение плотности тока между импульсами более 5,9 А/см² приводит к перегреву поверхностных слоев металла зубьев, оплавлению острых кромок и пережогу. Увеличение скважности более 1,8 или снижение плотности тока между импульсами менее 4,2 А/см² снижает интенсивность нагрев, приводит к росту зерен микроструктуры стали, снижению твердости зубьев и стойкости дисковых пил.

В случае увеличения продолжительности пропускания импульсов более 10 с, температура поверхности зубьев превысит температуру оплавления, что недопустимо. При продолжительности пропускания импульсов менее 4 с не достигается оптимальная температура закалки, стойкость дисковых пил снижается.

Примеры реализации способа
Незакаленную дисковую пилу из хромистой стали 90ХФ диаметром 700 мм, толщиной 5 мм, с числом зубьев Z=384 высотой 5 мм закрепляют в вертикальном положении на шпинделе вращателя установки электролитно-плазменной закалки. Зубья нижней части дисковой пилы погружают в размещенные последовательно (по ходу вращения) нагреватель и охладитель. Нагреватель и охладитель выполнены в виде емкостей, заполненных электролитом и соединенных в замкнутую систему с принудительной циркуляцией. В качестве электролита использован 15%-й раствор кальцинированной соды в воде.

Дисковую пилу приводят во вращение. Скорость вращения устанавливают такой, чтобы каждый из зубьев дисковой пилы находился в электролите, заполняющем нагреватель, в течение T_н = 7 с. Затем включают насос принудительной циркуляции электролита, и от анода, находящегося в нагревателе, через электролит к зубьям дисковой пилы пропускают импульс постоянного электрического тока с плотностью Q_и = 8,5 А/см². На поверхности каждого зуба, погруженного в электролит, образуется плазма (электрическая дуга), от действия которой происходит разогрев зубьев. По истечении времени t_и = 2 с плотность тока скачкообразно снижают до величины Q_в = 5,05 А/см², которую поддерживают в течение t_в = 1 с. В период времени t_в интенсивность нагрева поверхности зубьев уменьшается, происходит выравнивание температуры по их сечению.

Приведенную последовательность скачкообразного изменения плотности тока многократно повторяют до завершения полного оборота дисковой пилы. При указанных временных интервалах t_и и t_в скважность S импульсов тока с плотностью Q_и составляет 1,5.

За время T_н = 7 с прохождения каждого из зубьев вращающейся дисковой пилы через нагреватель происходит разогрев зубьев до температуры закалки 850^oC. По мере выхода из нагревателя разогретые зубья попадают в охладитель, где интенсивно охлаждаются электролитом до комнатной температуры.

В дальнейшем закаленную дисковую пилу отпускают с целью снятия термических напряжений закалки в зубьях и используют для холодной резки гнутых профилей проката в линии профилегибочного стана.

Твердость зубьев закаленной пилы составляет 62 ед. HRC, а стойкость пилы N=3000 резов.

Варианты реализации способа закалки дисковых пил и показатель их стойкости представлены в таблице.

Из таблицы следует, что при реализации предложенного способа (варианты 2-4) обеспечивается наиболее высокая стойкость дисковых пил холодной резки гнутого профильного проката. В случае запредельных значений заявленных параметров (варианты 1 и 5) стойкость дисковых пил снижается. Также низкую эксплуатационную стойкость имеют пилы, закаленные по способу-прототипу (вариант 6).

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что при плотности тока в импульсе 7-10 А/см² продолжительностью 1-3 с и скважности 1,2-1,8, а также при плотности тока в периодах между импульсами 4,2-5,9 А/см² достигается разогрев зубьев дисковой пилы за 4-10 с до температуры закалки хромистой стали, исключается оплавление острых кромок зубьев, после закалки зубья имеют мелкозернистую микроструктуру с оптимальными параметрами мартенсита, что позволяет повысить стойкость дисковых пил при холодной резке гнутых профилей проката. В предложенной технологии реализован принцип термоциклической обработки при закалке, повышающей эксплуатационные свойства деталей. Данный способ исключает коробление (поводки) дисковой пилы в процессе закалки.

Предложенная технология закалки дисковых пил опробована в цехе гнутых профилей АО "Северсталь" и показала высокую эффективность.

За базовый объект принят способ-прототип. Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства гнутых профилей на 5-7%.

Литературные источники, использованные при составлении описания изобретения:
1. Авт. св. СССР N 1481260, кл. C 21 D 1/46, 11/00, 1989
2. Авт. св. СССР N 1470781, кл. C 21 D 1/40, 1989
3. Авт. св. СССР N 1488321, кл. C 21 D 1/44, 1989 - прототип.

Изобретение относится к термической обработке изделий в электролите и может быть использовано для закалки зубьев дисковых пил холодной резки труб и гнутых профилей проката. Способ закалки дисковых пил из хромистых сталей включает погружение зубьев в проточный электролит, пропускание через него импульсов электролитического тока и последующее охлаждение зубьев. Для повышения стойкости дисковых пил плотность тока в импульсе устанавливают 7 - 10 А/см² при длительности импульса 1 - 3 с и скважности 1,2 - 1,8, а в периодах между импульсами плотность тока поддерживают 4,2 - 5,9 А/см², при этом продолжительность пропускания импульсов составляет 4 - 10 с. Технический результат - повышение стойкости дисковых пил. 1 з.п.ф-лы, 1 табл.

Способ закалки дисковых пил из хромистых сталей, включающий погружение зубьев в проточный электролит, пропускание через него импульсов электрического тока и последующее охлаждение зубьев, отличающийся тем, что плотность тока в импульсе устанавливают 7 - 10 А/см² при длительности импульса 1 - 3 с и скважности 1,2 - 1,8, а в периодах между импульсами плотность тока поддерживают 4,2 - 5,9 А/см², при этом продолжительность пропускания импульсов составляет 4 - 10 с.