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 Pк, выделяющаяся на катоде (изделии) вакуумной дуги, если привязка разряда к поверхности электрода осуществляется в виде катодных пятен, определяется как
Pк = hкIU, (1)
где hк – 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 = mWu / M, (2)
где M – масса атома; Wu – 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, Wu, μ – табличные значения.
Вторая составляющая мощности P2, расходуемая на излучение, определяется в со-ответствии с законом Стефана-Больцмана
P2 = σεrSк(Tк4 - TO4),
где σ = 5,67•10-8Вт/м2•град4 – постоянная Стефана-Больцмана; εr – интегральный коэффи-циент излучения; Sк – площадь рабочей поверхности катода; Tк – среднее по площади зна-чение температуры материала катода, TO – температура окружающей среды.
Таким образом, выяснив значения мощностей Pк, P1, P2, можно рассчитать мощ-ность, отводимую в результате теплопроводности P3 = Pк - 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 Ra 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:
- 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.
- 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.
- В результате очистки на поверхности металла создается пассивирующая пленка, защи-щающая металл от коррозии, в том числе и фреттинг-коррозии.
- 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.
- Технологический процесс позволяет эффективно залечивать выходящие на поверхность металла микротрещины, причем это осуществляется как в процессе очистки, так и при обработке чистой поверхности.
- Установки, применяемые для технологии вакуумно-дуговой очистки, могут быть авто-матизированы, легки в обслуживании, занимают небольшое пространство и отвечают требованиям техники безопасности.
- 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.
- Кузнецов В.Г. Вакуумная электродуговая очистка поверхности металлопроката – новое направ-ление в металлообработке. // Труды 7-й Международной конференции “Пленки и покрытия-2005”, Санкт-Петербург, 2005, с. 57 - 62.
- Стешенкова Н.А., Шумилов В.П., Кузнецов В.Г., Шалимов А.Г., Соколов О.Г. Оптимизация гео-метрии и конструкции устройства электродуговой вакуумной очистки рулонного проката. // Вестник технологии судостроения. 2005, № 13, с. 43-50.
- В.Г. Кузнецов, В.М. Левшаков, О.Г. Соколов, Н.А. Стешенкова. Вакуумно-дуговая очистка по-верхности металлической ленты от загрязнений. // Сб. докладов ежегодного научно-технического семинара “Вакуумная техника и технология”, Санкт-Петербург, 2004.
- Кузнецов В.Г., Левшаков В.М., Стешенкова Н.А., Суздалев И.В. Вакуумная электродуговая очистка катанки от окалины. // Тез. докл. Всероссийского семинара Вакуумная техника и техно-логия-2002, Санкт-Петербург, 2002, с. 42-43.