POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ S e r i a t HUTNICTWO z . 36
__________ 1991 Nr k o l . 1036 J e r z y BARGLIK
Romuald KADZIMIERZ K r z y s z t o f KUREK Czesław SAJDAK Zygmunt SZCZEPAŃSKI T ade usz WIECZOREK I n s t y t u t M e t a l u r g i i
Z akład E l e k t r o t e r m i i H u t n i c z e j P o l i t e c h n i k a Ś lą s k a
NAGRZEWANIE INDUKCYJNE W PROCESACH
UTWARDZANIA POWIERZCHNIOWEGO WYROBÓW HUTNICZYCH
S t r e s z c z e n i e . W Z a k ł a d z i e E l e k t r o t e r m i i H utnic ze j P o l i t e c h n i k i ś l ą s k i e j opracowano t e c h n o l o g i e u tw a r d z a n i a powierzchniowego r ó ż n y ch wyrobów h u t n i c z y c h i c z ę ś c i maszyn. W pracy p r z e d s t a w i o n o pod
stawowe p a r a m e t r y procesów h a r t o w a n i a indukcyjnego k ó ł d ź w ig n i c o wych, r u r do t r a n s p o r t u p o d s a d z k i , i g l i c kolejowych o r a z t r z p i e n i p ie lg rzy m o w y ch .
1. Watęp
N ag rze w an ie in d u k c y j n e j e s t p o w sze ch n ie etoeowane w ś w i e c i e w p r o c e s a c h u t w a r d z a n i a c z ę ś c i maszyn, szyn k o le jo w y c h i innych wyrobów h u t n i cz y c h poddawanych o b r ó b c e c i e p l n e j w c e l u o trz y m a n ia t w a r d e j i o d p o r n e j na ś c i e r a n i e w arstw y p o w i e r z c h n i o w e j , p r z y zachowaniu n i e z m i e n i o n y c h w ł a s n o ś c i r d z e n i a wsadu.
H a rto w a n ie i n d u k c y j n e w ykazuje w i e l e z a l e t , m . in , m ożliw ość zmiany w a z e r o k im z a k r e s i e g r u b o ś c i n a g r z e w a n e j i utwardzonej w arstw y ( p o p r z e z dobór c z ę s t o t l i w o ś c i p r ą d u z a s i l a j ą c e g o w z b u d n ik ) , bardzo duża w y dajność p r o c e s u i w ysoki s t o p i e ń je g o a u t o m a t y z a c j i , b r a k o d k s z ta ł c e ń n a g rz ew a
nego wsadu, m ożliw ość u t w a r d z a n i a m iejscow ego wybranych, nawet n i e w i e l k i c h p o w i e r z c h n i wsadu, m ałe je d n o s tk o w e z u ż y c i e e n e r g i i .
Rozwój w k r a j u p r o d u k c j i ź r ó d e ł z a s i l a n i a ś r e d n i e j i w i e l k i e j c z ę s t o t l i w o ś c i s t w a r z a w a r u n k i do z n a c z n i e s z e r s z e g o n i ż dotąd z a s t o s o w a n i a przem ysło wego h a r t o w a n i a i n d u k c y j n e g o . N agrzew anie i n d u k c y jn e , m . i n . w p r o c e s a c h o b r ó b k i c i e p l n e j , j e s t podstawową s p e c j a l n o ś c i ą naukowo-bada
wczą Zakładu E l e k t r o t e r m i i H u t n i c z e j P o l i t e c h n i k i Ś l ą s k i e j . W l a t a c h 1983-88 opracowano k i l k a t e c h n o l o g i i h a r t o w a n i a in dukcyjnego wyrobów h u t n i c z y c h , m. i n . k ó ł dźw ignicowych, i g l i c i szyn kolejowych, r u r , t r z p i e n i p ie lg r z y m o w y c h , walców o r a z elementów p r z e n o ś n ik ó w zgrzebłow ych.
2 . U tw a r d z a n ie b i e ż n i i o b r z e ż y k ó ł dźw ignicowych
T e c h n o l o g i a p r o d u k c j i k ó ł je z d n y c h do d ź w ignio p r z e w i d u je u t w a r d z a n i e b i e ż n i i o b r z e ż y k ó ł do t w a r d o ś o i 280-360 HB p r z y możliwie małym g r a d i e n c ie tw ard o ści między warstwą utwardzoną i miękką częścią w ieńca.
5 4 J . B a r g l i k
aj
Cj
b)
::z s W
5_
1
A 7 S
ż i f f [ T S T
b)
Rys.1 H a r to w a n ie i n d u k c y j n e ! a - k ó ł dźw ignicow ych, b - r u r od w e w n ą trz , c - i g l i c k o le jo w y c h , d - t r z p i e n i p ie lg r z y m o w y c h , 1 - w zb u d n ik , 2 - n a - t r y e k i w a c z , 3 - n a t r y s k i w a c z dodatkowy do c h ł o d z e n i a końcowego, 4 - k o ł o d źw ig n ico w e, 5 - r u r a , 6 - i g l i c a , 7 - p r z e k r o j e p o p r z e c z n e i g l i c ,
8 - t r z p i e ń
Produkowane w Hucie Mała Panew k o ł a j e z d n e o ś r e d n i c a c h 200-900 mm ze s t a l i w L40G2M i L45G2 p r z e d h a rto w a n ie m nag rz ew an e aą e k r o ś n i e w p i e c u płomieniowym do t e m p e r a t u r y 880°C, a n a s t ę p n i e c h ł o d z o n e p r z e z obroto we z a n u r z a n i e w w odzie do połowy w y s o k o ś c i w i e ń c a . Po h a r t o w a n i u p r z e p ro w a dza s i ę o d p u s z c z a n i e z m n i e j s z a j ą c e n a p r ę ż e n i a w ł a s n e .
x, mm x.mm
HB
3 5 0 +
340
330
10 20
x . mm
R y s . 2 Rozkłady t w a r d o ś c i« a - b i e ż n i i o b r z e ż y k o ła dźwignicowego, b - w z d łu ż g r u b o ś c i ś c i a n k i r u r y , c - w g ł ą b i g l i c y , d - w g łą b t r z p i e n i a
pielgrzymowego
J . B a r g l i k N agrzewanie s k r o ś n e k ó ł j e s t b a r d z o e n e r g o c h ł o n n e (wsady z n a j d u j ą s i ę w p i e c u od k i l k u do k i l k u n a s t u g o d z i n ) , a p r o c e s t e c h n o l o g i c z n y j e s t mało wydajny i . u c ią ż li w y d la o b s ł u g i .
Wady t e wyeliminowano w o p rac o w a n ej w Z a k ł a d z i e E l e k t r o t e r m i i H u t n i c z e j t e c h n o l o g i i u tw a r d z a n i a p o w ie r z c h n io w e g o , z w y k o rz y s ta n ie m nagrz ew a
n i a i n d u k c y jn e g o prąda m i ś r e d n i e j c z ę s t o t l i w o ś c i [ l - 3 ] . Ze w zglę du na duże ś r e d n i c e k ó ł , wymagania t e c h n o l o g i c z n e o r a z o g r a n i c z o n y a s o rty m e n t produkowanych w k r a j u ź r ó d e ł z a s i l a n i a ś r e d n i e j c z ę s t o t l i w o ś c i zdecydowa
no s i ę na z a s t o s o w a n i e j e d n o o b r o t o w e j metody h a r t o w a n i a [4] , w k t ó r e j pod
dawane obróbce c i e p l n e j k o ło o b r a c a s i ę względem nie ruc hom ego wzbudnika i um ie szczonego b e z p o ś r e d n i o za nim n a t r y s k i w a c z a ( r y s . l a ) .
Szczegółowe b a d a n ia p r o c e s u h a r t o w a n i a p r z e p ro w ad z o n o d l a k ó ł o ś r e d n i cy 500 mm i s z e r o k o ś c i b i e ż n i 85 mm. U m ożliw iły one dobór k o n s t r u k c j i wzbudnika o r a z u s t a l e n i a para m etrów z a s i l a n i a , n a g r z e w a n ia i c h ł o d z e n i a p - 3 ] . P o w i e rz c h n ie b i e ż n i i o b r z e ż y nagrzewano do t e m p e r a t u r y 880°C
•wzbudnikiem pętlowym o 5 zw o ja ch , z a s i l a n y m ze ź r ó d ł a o mocy 55 k\7 i c z ę s t o t l i w o ś c i 2 , 5 kHz. C h ło d z e n ie odbywało s i ę za pomocą m i e s z a n k i wodno- p o w i e t r z n e j .
N a jw ła ś c iw s z e r o z k ł a d y t w a r d o ś c i ( p rz y k ła d o w y pokazano na r y s . 2 a ) , zgo
dne z z a ł o ż e n i a m i t e c h n o l o g i c z n y m i , u zy s k an o p r z y p r ę d k o ś c i p rze suw u o k . 0 , 9 mm/s, c i ś n i e n i u p o w i e t r z a - 0 , 2 MPa i n a t ę ż e n i u p r z e p ły w u wody - ok. 0 ,0 2 5 m^/h.
N ierów nom ie rnośó t w a r d o ś c i p o w i e r z c h n i b i e ż n i n i e p r z e k r a c z a 15 HB, a c h a r a k t e r y s t y c z n a d l a j e d n o o b r o t o w e j metody h a r t o w a n i a s t r e f a o o b n i ż o n e j t w a r d o ś c i s t a n o w i t y l k o o k . 2% obwodu b i e ż n i . S t w i e r d z o n o w z r o s t war
t o ś c i n a p r ę ż e ń w ła s n y c h w k o ł a c h po h a r t o w a n i u in dukcyjnym £3 ,5 } (w p o r ó w naniu z uzyskiwanymi w s to s o w a n e j d o t ą d t e c h n o l o g i i ) . N a p r ę ż e n ia m ają j e d n a k c h a r a k t e r ś c i s k a j ą c y i n i e powinny z w ię k s z a ć p r a w dopodobie ństw a p ę k a n i a k ó ł .
3 . H a rto w an ie p o w i e r z c h n i w ew n ętrz n y ch r u r
P o w i e r z c h n ie wew nętrzne r u r s t a l o w y c h p r z e z n a c z o n y c h do t r a n s p o r t u p o d s a d z k i w k o p a l n i a c h s ą h a r t o w a n e , p r z y czym s to s o w a n e w tym p r o c e s i e n a g r z e w a n ie i n d u k c y j n e ma c h a r a k t e r s k r o ś n y i odbywa s i ę za pomocą wzbu
dników z e w n ę tr z n y c h . Po z a h a r t o w a n i u do końców r u r spawane s ą k o ł n i e r z e , s ł u ż ą c e do ł ą c z e n i a odcinków r u r w r u r o c i ą g i .
Z badań e k s p l o a t a c y j n y c h r u r o c i ą g ó w w y n ik a , że n a j w i ę k s z e z u ż y c i e r u r w y s t ę p u j e w p o b l i ż u k o ł n i e r z y , co może być spowodowane lokalnym z m n i e j sz e n ie m t w a r d o ś c i s t a l i w skute k j e j o d p u s z c z a n i a p o d c z a s s p a w a n ia .
W o p rac o w a n ej t e c h n o l o g i i o bróbkę c i e p l n ą r u r p rz e p ro w a d z a s i ę d o p i e r o po zamontowaniu k o ł n i e r z y £ ć ] . Powoduje t o k o n i e c z n o ś ć u ż y c i a do n a g r z e w ania wzbudników w ew nętrznych ( r y s . l b ) .
57 Warunki n a g r z e w a n ia i c h ł o d z e n i a u s t a l o n o d l a r u r ze s t a l i R65 o d ł u g o ś c i 2 m, ś r e d n i c y w ew n ętrz n ej 185 mm i g r u b o ś c i ś c ia n e k 9 mm. Dolny k o ł n i e r z nagrzewano s t a c j o n a r n i e , p o z o s t a ł e c z ę ś c i r u r y - p r z e lo to w o , p r z y p r ę d k o ś c i p rze suw u o k . 1mm/s. Moc c z y n n a p o b i e r a h a lp rz e z wzbudnik wy
n o s i ł a 95-100 kW, p r z y c z ę s t o t l i w o ś c i ok. 9 , 8 kHz. K o nstrukcję s ta n o w is k a d o ś w ia d c z a ln e g o o r a z s z e r s z y o p i s b ad a ń p r z e d s t a w i o n o w [6-83.
\'l z a l e ż n o ś c i od i n t e n s y w n o ś c i c h ł o d z e n i a wodnego i parametrów z a s i l a n i a w zbudnika u zyskiw ano t w a r d o ś c i p o w i e r z c h n i w ew n ętrz n ej od 400 do 560 HB, p r z y t w a r d o ś c i a c h p o w i e r z c h n i z e w n ę t r z n e j - od 250 do 420 HB [ 6 ] . P rzykładowy r o z k ł a d t w a r d o ś c i w ś c i a n c e r u r y pokazano na r y s . 2 b .
4.- H a r to w a n ie i n d u k c y j n e i g l i c k o l e j o w y c h
•
W l i t e r a t u r z e ś w ia to w e j dane na te m a t h a r t o w a n i a powierzchniowego i g l i c i in n y c h p r o f i l i szynowych s p o t y k a s i ę r z a d k o . WiękBZOŚó opracowań d o ty c z y sz yn k o le jo w y c h [ 9 ] . Ka p o d s t a w i e z a w a r ty c h w tych p r a c a c h i n f o r m a c j i o r a z w ła s n y c h d o św ia d c z e ń z a p r o je k to w a n o i zbudowano w Z a k ł a d z i e E l e k t r o t e r m i i H u t n i c z e j s t a n o w i s k o do in d u k c y j n e g o h arto w a n ia i g l i c t y p u S-60 i S-49 o d ł u g o ś c i do 6 m. Zdecydowano s i ę na nagrzewanie g łów ki szyny jednym wzbudnikiem z a s i l a n y m prądem o c z ę s t o t l i w o ś c i 2 , 5 kHz, n a h a r t o w a n i e p r z y u t y c i u n a t r y s k i w a c z a w o d n o -p o w ie trzn e g o umieszczonego t u t za wzbudnikiem o r a z c h ł o d z e n i e końcowe n a t r y s k i w a c z e m wodnym ( r y s . l c ) . W s k ł a d s t a n o w i s k a d o ś w ia d c z a ln e g o wchodzą p o n a d t o : p o d a j n ik do p r z e m i e s z c z a n i a i w stę pnego w y g in a n i a i g l i c , mechanizm zmiany p o ło ż e n ia wzbudni
k a , t r a n s f o r m a t o r d o p a s o w u ją c y , b a t e r i a k o n d e n s a to ro w a , układy: z a s i l a n i a e l e k t r y c z n e g o , wodnego i sprężonym p o w ie t rz e m , pomiarowe, ste ro w a jn ia , i z a b e z p i e c z e ń . Próby n a g r z e w a n ia prowadzono na o d cin k ac h i g l i c w c e l u d o b o ru para m etrów z a s i l a n i a wzbudnika i w ł a ś c i w e j te m p e ra tu ry h a r t o w a n i a . M ierzono r o z k ł a d y t e m p e r a t u r y w p r z e k r o j u poprzecznym wsadu w r ó ż n y c h m i e j s c a c h w z d łu ż i g l i c , gdyż s ą t o e le m e n ty o b a r d z o zróżnicowanym p r z e k r o j u ( r y s . l c ) .
Próby h a r t o w a n i a i g l i c S-60 i S-49 wykonano p r z y różnych i n t e n s y w n o - ś c i a c h c h ł o d z e n i a . Uzyskiwane t w a r d o ś c i p o w i e r z c h n i m i e ś c i ł y s i ę w g r a n i c a c h od 300 do 460 HB, w z a l e ż n o ś c i od sp o so b u c h ł o d z e n i a . Zgodnie z danymi l i t e r a t u r o w y m i j za w łaś ciw y uznano r o z k ł a d t w a r d o ś c i pokazany na r y s . 2 c ( t w a r d o ś ć p o w ierz chniow a o k . 3 5 0 HB i mały g r a d i e n t t w a r d o ś c i w p r z e k r o j u poprzecznym i g l i c y ) . Badania m a k r o s t r u k t u r y w ykazały , że g r u b o ś ć w arstw y z a h a r to w a n e j w ynosi o k . 12-15 mm [ 1 0 , 1 1 ] . W w a rs tw ie z a h a r t o wanej w y s t ę p u j e d robny p e r l i t .
Po z a k o ń c z e n i u h a r t o w a n i a i g l i c e u l e g a ł y n i e w i e l k i m o d k s z ta ł c e n i o m i d l a t e g o m u s i a ł y być dodatkowo p r o s t o w a n e . Próbna p a r t i a zahartow anych i g l i c z o s t a ł a p r z e k a z a n a do bada ń e k s p l o a t a c y j n y c h .
58 J . B a r g l i k
5 . H artow anie i n d u k c y j n e t r z p i e n i p ielgrzym ow ych
Hartowano i n d u k c y j n i e t r a p i e n i e pielgrzym ow e o ś r e d n i c a c h od 94 do 129 mm i d ł u g o ś c i a c h do 3 m, p r z e z n a c z o n e do w alc ow ania r u r systemem Mannesmanna. T r z p i e n i e nagrzewano m etodą p o stę p o w o -o b r o to w ą [ V ] ( r y 8 . 1 d) , do t e m p e r a t u r 880-950 °C. Układ m echaniczny p o d a j n i k a wsadu u m o ż l i w i a ł zmianę p r ę d k o ś c i przesuwu w z a k r e s i e 70-140 mm/min. Stosowano c h ł o d z e n i e sprężonym p o w ie trz e m , wodą o r a z m ie s z a n k ą w o d n o - p o w ie tr z n ą .
Wzbudniki ( ś r e d n i c e w ew n ętrz n ej 102, 113, i 140 mm) z a s i l a n o prądem o c z ę s t o t l i w o ś c i o k . 2 kHz. Moc czynna p o b i e r a n a p r z e z n a g r z e w n i c ę , z a l e żna od ś r e d n i c y wsadu, p r ę d k o ś c i p rze suw u o r a z t e m p e r a t u r y p o w i e r z c h n i , w y n o s iła od 64 do 100 kW [ 1 2 ,1 3 3 .
Uzyskiwano t w a r d o ś c i p o w i e r z c h n i od 300 do 600 HB o r a z g ł ę b o k o ś c i h a r t o w a n i a od 6 do 15 nm. Przykładowy r o z k ł a d t w a r d o ś c i w g ł ą b t r z p i e n i a pokazano ma r y s . 2 d .
LITERATURA
£ l j S a jd a k C z ., Kurek K .: Opracowanie t e c h n o l o g i i h a r t o w a n i a i n d u k c y j nego b i e ż n i wybrany«h k ó ł je z d n y c h do d ź w i g n i c . I n s t y t u t M e t a l u r g i i P o l i t e c h n i k i Ś l ą s k i e j , Katowice 1987, ( n i e p u b l i k o w a n e ) .
£2]] S ajdak Oz., Kurek K: U tw ard za n ie pow ierzchniow e b i e ż n i i o brzeży k ó ł dźw ignicow ych. I I K o n f e r e n c j a "B adania naukowe w e l e k t r o t a r m i i 1;
W isła 1987, s . 3 2 - 4 1 .
^ 3 j Kurek K . , S a jd a k C z .: N agrzew anie i n d u k c y j n e w p r o c e s i e o b r ó b k i c i e p l n e j k ó ł dźw ignicow ych. I I I K o n f e r e n c j a "B ad a n ia naukowe w e l e - k t r o t e r m i i i " , Wisła 1988, s . 4 0 - 4 9 .
[ 4 ] S a jd a k C z ., Samek E. : N agrzew anie i n d u k c y j n e . Podstawy t e o r e t y c z n e i z a s t o s o w a n i e . Wyd. " Ś l ą s k " , Kato wice 1987.
["53 Chladek W. s Pomiary n a p r ę ż e ń w ła s n y c h k ó ł j e z d n y c h . E k s p e r t y z a SITPH n r 1 7 5 /8 7 , Katowice 1987.
£ ć3 Muszyński J . i i n n i : T e c h n o lo g ia w y tw a r z a n ia r u r o podwyższonej t w a r d o ś c i d l a p o d s a d z k i h y d r a u l i c z n e j . S pra w oz danie OMtł "Komag", G liw ic e 1987 ( n i e p u b li k o w a n e ) .
£?3 B a r g l i k J . .J& iszyński , J . : S ta n o w isk o do h a r t o w a n i a i n d u k c y jn e g o r u r wzbudnikiem wewnętrznym. I I I K o n f e r e n c j a "B adania naukowe w e l e - k t r o t e r m i i " , Wisła 1988, s . 1 2-19.
[8 3 U rz ą d z e n ie do in d u k c y jn e g o h a r to w a n ie w ew nętrznej p o w ie r z c h n i e l e mentu r u ro w e g o . Wzór użytkowy n r 44193.
[ 9 3 W ieczorek T . : H u t n i k , 1986, n r 12, s . 3 2 7 - 3 3 0 .
[103 W ieczorek T . : Badania p r o c e s u h a r t o w a n i a i n d u k c y j n e g o i g l i o s z y n o wych ty p u S-60 i S-49 o d ł u g o ś c i a c h 6 m s to s o w a n y c h w r o z j a z d a c h k o le jo w y c h . K o n f e r e n c j a "Nowoczesne u r z ą d z e n i a i t e c h n o l o g i e e l e k t r o t e r m i c z n e w m e t a l u r g i i " , S z c z y rk 1987, s . 1 5 4-163.
( l l 3 W ieczorek T . : Wyniki p r ó b l a b o r a t o r y j n y c h h a r t o w a n i a in d u k c y jn e g o i g l i c k o le jo w y c h . I I K o n f e r e n c j a " Badania naukowe w e l e l t r o t e r m i i ”, W isła 1987, s . 4 2 - 5 0 .
[j 23 K adzim ierz R . , Sajdak C z , , W ieczorek T. «K oncepcja i próby h a r to w a n ia i n d u k c y j n e g o t r z p i e n i p ie lg r z y m o w y c h . E k s p e r t y z a SEP n r 1 4 /1 7 , Kato wice 1987.
£13]] K adzim ierz R. i i n n i : In d u k cy jn e hartow anie pow ierzchniow e t r z p i e n i p ie lgrzym ow ych d l a z e sp o łu EM I I w w aru n k ac h Wydziału Walcowni Rur Huty B a t o r y . I I I K onferencja "B ada nia naukowe w e l e - k t r o t e r m i i " , W isła 1988, s . 8 3 - 9 0 .
INDUCTION HEATING IN THE PROCESS OP SURFACE HARDENING OP METALLURGICAL PRODUCTS
Summary
T e c h n o l o g i e s f o r m é t a llu r g ie p roduct su rface h ard en in g and m achinery p a r t s h a r d e n i n g h ave been d e v e lo p e d a t the I n s t i t u t e o f M e t a llu r g ic a l E l e c t r o t h e r m i C 8 o f t h e S ile s ia n T e ch n ica l U n iv e r s it y . B a s ic param eters f o r i n d u c t i o n h a r d e n i n g p r o c e s s e s o f crane w h e e ia ,tr a n s p o r tin g p ip e s fo r f i l l i n g , r a i l n p e d l e s and p i l g e r m andrels have been p r e s e n te d in t h i s p a p e r a s w e l l .
HHhyKIlHOHHblft HAFPEB B IIPOUECCAX nOBEPXHOCTHOB 3 AKAJIKM METAJIJiyPrHHECKHX
H 3 A E JH R
Peamue
Ha Kaÿenpe xeT ajinypr unecKoB sjiexTpoTepxxx Cwjie3CKoro noJiWTexHHxecKoro KHCTMTyTa pa3paâoTaHbi TexHOJiorMM noBepxHOCTHoB 3axaJixx pasHbix xeT onnyp- r x i e c K i x H3n e i wh h ueTajieB xamiH. B p a d o ie npencTaBJieHbi n ap ax eT p u npo- UeCCOB RHflyKUHOHHOl 3aKajIKH KpaHOBUX KOJieC, Tpyd n iw TpaHcnopTBpoBKH rMnpo3 aKJiauKH, )Kene3 HonopojKHUX ocTpsxoB a Taxme CTepxaeB r jih nxnxrpHHO- boB n p o x a T K M Tpyd.
