Технология идеальной чистоты

Для того чтобы железнодорожный транспорт завтра выполнял поставленные перед ним задачи, уже сегодня следует приложить максимальные усилия, чтобы в общем развитии техники и технологий железные дороги занимали лидирующие позиции. Как ос-новную задачу отрасли при этом необходимо рассматривать внедрение новейших науч-ных разработок.

Во многих случаях эксплуатационные свойства деталей определяются состоянием их поверхностного слоя. Это объясняется тем, что поверхностный слой детали при ее экс-плуатации наиболее сильно подвергается механическому, тепловому, химическому и дру-гим воздействиям. При всех основных способах нагружения поверхностный слой деталей оказывается более нагруженным, чем сердцевина. Поверхностный слой в некоторой ча-сти детали может оказаться в самых неблагоприятных условиях (с точки зрения напря-женности), поскольку рабочие напряжения складываются с технологическими остаточны-ми микронапряжениями. Это приводит к принципиальным изменениям напряженности в поверхностном слое: резко возрастают результирующие напряжения, действующие в про-цессе эксплуатации, полностью меняется эпюра распределения напряжений по сечению детали. Таким образом, с позиции прочности детали важно, какая будет применена ее тех-нологическая обработка, обусловливающая напряженное состояние материала поверх-ностного слоя.

Большой практический интерес представляет разработка технологических процес-сов, основанных на изменении поверхностных свойств материалов плазмой вакуумно-дугового разряда, позволяющих наиболее эффективно управлять эксплуатационными свойствами деталей. Обработка поверхности плазмой вакуумной дуги может способство-вать повышению механической прочности деталей, улучшению их антикоррозионных свойств и сопротивлению износа, изменению коэффициента трения, повышению тепло-защитности деталей, осуществляет прецизионную размерную обработку поверхности.

Активные исследования в данной области, проводимые научно-производственной фирмой ООО «ФАКТОРИЯ ЛС» (Санкт-Петербург), стали приоритетным направлением ее инновационной деятельности применительно к техническому и технологическому пе-реоснащению на железнодорожном транспорте, решению задач совершенствования по-движного состава, его ремонта и технического обслуживания, повышению эффективно-сти и безопасности движения.

Наиболее существенных результатов удалось добиться в области разработки прин-ципиально новой для железной дороги технологии – технологии вакуумно-дуговой очистки поверхности изделий от ржавчины, окалины, технологических отложений, масленых пленок и др. загрязнений.

На 5-й Международной специализированной выставке «Exporail 2011» большой интерес со стороны как отечественных, так и зарубежных посетителей вызвала действу-ющая установка (рис.1) вакуумно-дуговой очистки внутренней поверхности корпуса ва-гонной буксы. Данная разработка явилась результатом тесного сотрудничества ООО «ФАКТОРИЯ ЛС» с учеными Института проблем машиноведения РАН и сотрудниками ВНИИЖТ.

 

Технология вакуумно-дуговой очистки поверхности материалов, являясь новым направлением в металлообработке, относится к высокоэффективным, ресурсосберегаю-щим, экологически чистым процессам. На настоящее время данная технология не нашла еще широкого промышленного распространения. Она используется в основном на экспе-риментальных установках для очистки стального листа от окалины, ржавчины и загрязне-ний [1], очистки металлической ленты от технологической смазки [2, 3], очистки катанки от окалины [4], очистки сварочной проволоки, очистки внутренней и внешней поверхно-стей труб от загрязнений и т.д. Очистка осуществляется с помощью вакуумного дугового разряда, горящего между поверхностью обрабатываемого изделия, являющегося катодом, и анодом в вакуумной камере, при котором образуется множество быстродвижущихся ка-тодных пятен (рис. 2), локализующихся в местах скопления загрязнений, окисных пленок и удаляющих их до полного обнажения основного материала обрабатываемого изделия.

 

Катодные пятна характеризуются высокой плотностью тока (до 10¹²А/м²), весьма высокой поверхностной плотностью мощности, превышающей 10⁹Вт/м². Температура ма-териала катода в зоне пятна, как правило, превышает температуру кипения. Свойства пя-тен зависят от многих факторов, таких как вид материала, сила тока разряда и даже время его горения дуги. Благодаря высокой плотности энергии и температуре в каждом катод-ном пятне происходит испарение поверхностных пленок и в ряде случаев их взрывообразное отделение (например, окалины). Несмотря на высокую температуру металла в катодном пятне, при его размерах на уровне единиц микрометров в диаметре и скорости перемещения по поверхности на уровне десятков - нескольких сотен метров в секунду, интегральная температура обрабатываемой поверхности остается холодной.

Мощность P_к, выделяющаяся на катоде (изделии) вакуумной дуги, если привязка разряда к поверхности электрода осуществляется в виде катодных пятен, определяется как

P_к = h_кIU, (1)

где h_к – коэффициент катодной мощности, определяемый как отношение мощности, выделяющейся на катоде, к полной мощности разряда; I - ток дугового разряда; U – напряжение на дуге.

Выделяющаяся на рабочей поверхности катода мощность расходуется на испаре-ние материала P₁, излучение P₂ и мощность, отводимая в результате теплопроводности P₃.

Мощность, расходуемая на испарение материала можно выразить через скорость эрозии следующим образом

P₁ = mW_u / M, (2)

где M – масса атома; W_u – удельная теплота испарения; m = μI; μ – коэффициент электро-переноса, зависящий от материала катода.

В этом выражении не учтена удельная теплота плавления, так как она существенно меньше удельной теплоты испарения. M, W_u, μ – табличные значения.

Вторая составляющая мощности P₂, расходуемая на излучение, определяется в со-ответствии с законом Стефана-Больцмана

P₂ = σε_rS_к(T_к⁴ - T_O⁴),

где σ = 5,67•10^-8Вт/м²•град⁴ – постоянная Стефана-Больцмана; ε_r – интегральный коэффи-циент излучения; S_к – площадь рабочей поверхности катода; T_к – среднее по площади зна-чение температуры материала катода, T_O – температура окружающей среды.

Таким образом, выяснив значения мощностей P_к, P₁, P₂, можно рассчитать мощ-ность, отводимую в результате теплопроводности P₃ = P_к - P₁- P₂ и оценить температуру изделия, до которой оно нагревается в процессе очистки.

Особенность установки для очистки внутренней поверхности корпуса буксы ко-лесной пары вагона состоит в том, что роль вакуумной камеры выполняет сама букса. Букса с двух сторон герметично закрыта заглушками. Через одну из заглушек осуществ-ляется откачка воздуха форвакуумным насосом. Внутри буксы вдоль ее поверхности вра-щается электрод, являющийся анодом, который подключен к положительному полюсу источника питания. Скорость очистки зависит от характера загрязнений и их толщины. После традиционной мойки буксы горячими моющими растворами оставшиеся загрязнения на установке вакуумно-дуговой очистки удаляются за один-два полных оборота вращения анода. При этом общее время очистки с учетом откачки составляет в среднем 5-7 минут при производительности насоса 3 л/с. Использование насоса с большей производительностью позволит сократить время очистки.

Исследования показали, что при технологических режимах обработки, характерных для очистки поверхности, не происходит структурно-фазовых изменений свойств материала корпуса буксы. При этом обнаружено изменение характера рельефа шероховатости поверхности (рис. 3). На рис. 3а представлен исходный профиль поверхности, а на рис. 3б – профиль поверхности после вакуумно-дуговой очистки. Среднее арифметическое отклонение профиля R_a для исходной поверхности составляло 2,944 мкм, для поверхности после очистки - 2,561 мкм.

 

Сформированный после очистки рельеф на внутренней поверхности буксы способствует лучшему удержанию масла и более равномерному его распределению по поверхности.

Исследование микротвердости материала буксы от поверхности вглубь металла осуществлялось на микротвердомере ПМТ-3 с шагом 10 мкм. Полученные результаты свидетельствуют о том, что вакуумно-дуговая очистка не оказывает влияние на изменение микротвердости материала буксы (в пределах погрешности измерений).

Основными достоинствами технологии являются:

1. Технология является высокоэффективной материало- и ресурсосберегающей. Предва-рительные расчеты показывают, что удельные затраты по электроэнергии в зависимости от состояния и решаемых задач составляют 0,3-0,6 квт•ч/м². Энергозатраты на обработку поверхности зависят от степени загрязненности поверхности, скорости обработки материала, площади обрабатываемой поверхности и химического состава металла. Стоимость вакуумно-дуговой очистки почти в 5-7 раз ниже, чем при использовании ки-слот и 2-3 раза ниже, чем при использовании очистки дробью.
2. Полная экологическая безопасность. По сравнению с химической очисткой отсутствуют вредные химические растворы, утилизация которых - достаточно трудоемкий процесс, связанный с большими энергетическими и материальными затратами, не загрязняется окружающая среда и процесс является безопасным для человека.
3. В результате очистки на поверхности металла создается пассивирующая пленка, защи-щающая металл от коррозии, в том числе и фреттинг-коррозии.
4. Очищенная таким образом поверхность за счет активации ее плазмой приобретает вы-сокую адгезионную способность ко всем существующим на сегодня защитным покрытиям (металлическим, полимерным, лакокрасочным). “Эксперименты показали, что адгезия к защитным покрытиям возрастает в четыре и более раз по сравнению со всеми существующими способами очистки, а это гарантия на десятки лет, что защитное покрытие не будет отслаиваться, а изделие не будет разрушаться под действием коррозии”. Данная технология на сегодняшний день является самым эффективным методом подготовки поверхности металла для нанесения лакокрасочного покрытия.
5. Технологический процесс позволяет эффективно залечивать выходящие на поверхность металла микротрещины, причем это осуществляется как в процессе очистки, так и при обработке чистой поверхности.
6. Установки, применяемые для технологии вакуумно-дуговой очистки, могут быть авто-матизированы, легки в обслуживании, занимают небольшое пространство и отвечают требованиям техники безопасности.
7. Очистку можно осуществлять на изделиях любых геометрических размеров, как про-стой, так и сложной геометрической формы. Нужна соответствующих размеров вакуумная камера. В ряде случаев вакуумной камерой может быть само изделие, например, вагонная букса или труба (при очистке их внутренней поверхности). Для очистки длинномерных изделий (прутки, проволока, лента, протяженные листы и т.д.) могут быть использованы шлюзовые вакуумные камеры.

Дальнейшие исследования в области вакуумно-дуговой очистки применительно к изделиям железнодорожного транспорта связаны с расширением номенклатуры обраба-тываемых изделий, с повышением эффективности технологического процесса, с разработкой нового оборудования, адаптированного для работы в условиях промышленного производства.

Первые исследования выполнены применительно к очистке колесной пары желез-нодорожного вагона. Исследования осуществлялись на образцах, вырезанных из колеса.

 

На рис. 4а представлена фотография колеса железнодорожного вагона с вырезан-ным сегментом. На рис. 4б представлено фото сегмента колеса после очистки. Были выяв-лены некоторые дефекты литья колеса в виде небольших раковин, расположенных вблизи поверхности. Перемещаясь по поверхности, катодное пятно расплавляет тонкую стенку металла (до 10 мкм) между поверхностью и раковиной. Раковина вскрывается в виде лун-ки. Таким образом, процесс вакуумно-дуговой очистки может быть использован для де-фектоскопии некачественного литья изделий.

Еще одним применением вакуумно-дуговой очистки может стать подготовка (очистка) поверхности изделий перед нанесением покрытий. Такая возможность проде-монстрирована на примере очистки поверхности в зоне внутреннего радиуса R55 боковой рамы тележки железнодорожного вагона (рис. 5а) с последующим нанесением газотермическим методом покрытия хрома толщиной около 1 мм (рис. 5б).

 

Как и в случае с колесом вагона также выявлены дефекты литья в зоне внутреннего радиуса R55.

Таким образом, технология вакуумно-дуговой очистки поверхности, обладая суще-ственными преимуществами, может найти широкое применение на железнодорожном транспорте.