Rullketi karastamisprotsess: ülekande töökindluse määramise põhikomponent
Tööstusliku ülekandesektorisrullketidon jõu ja liikumise edastamise võtmekomponendid ning nende jõudlus mõjutab otseselt kogu masina töö efektiivsust ja ohutust. Alates kaevandusmasinate raskeveokite käigukastist kuni täppispinkide täpse juhtimiseni, põllumajandusmasinate välitöödest kuni automootorite jõuülekandeni – rullketid täidavad pidevalt „jõusilla“ rolli. Rullkettide tootmisel on karastamine, mis on kuumtöötlusprotsessi põhietapp, nagu otsustav samm, mis „muudab kivi kullaks“, määrates otseselt keti tugevuse, sitkuse, kulumiskindluse ja kasutusea.
1. Miks on karastamine rullkettide tootmisel „kohustuslik kursus“?
Enne karastusprotsessi arutamist peame kõigepealt selgitama: miks on rullketi karastamine oluline? See algab keti põhikomponentide töötlemisega: rullid, puksid, tihvtid ja lüliplaadid. Pärast vormimist läbivad rullketi põhikomponendid tavaliselt karastamisprotsessi: toorikut kuumutatakse üle kriitilise temperatuuri (tavaliselt 820–860 °C), hoitakse sellel temperatuuril teatud aja ja seejärel jahutatakse kiiresti (nt vees või õlis), et muuta metalli sisemine struktuur martensiidiks. Kuigi karastamine suurendab oluliselt tooriku kõvadust (ulatudes HRC 58–62-ni), on sellel ka kriitiline puudus: äärmiselt suured sisemised pinged ja rabedus, mis muudab selle löögi või vibratsiooni korral purunemisele vastuvõtlikuks. Kujutage ette, et kasutate karastatud rullketi otse ülekandeks. Esialgse koormuse ajal võivad tekkida sellised vead nagu tihvti purunemine ja rulli pragunemine, millel on katastroofilised tagajärjed.
Karastamisprotsess lahendab karastamisjärgse „kõva, aga hapra” probleemi. Karastatud toorik kuumutatakse uuesti kriitilisest temperatuurist madalamale temperatuurini (tavaliselt 150–350 °C), hoitakse sellel temperatuuril teatud aja ja seejärel jahutatakse aeglaselt. See protsess reguleerib metalli sisemist struktuuri, et saavutada optimaalne tasakaal kõvaduse ja sitkuse vahel. Rullkettide puhul mängib karastamine võtmerolli kolmes põhivaldkonnas:
Sisemise pinge leevendamine: Vabastab karastamise ajal tekkivad konstruktsioonilised ja termilised pinged, hoides ära tooriku deformatsiooni ja pragunemise, mis on tingitud pingete kontsentratsioonist kasutamise ajal;
Optimeerige mehaanilisi omadusi: kohandage kõvaduse, tugevuse ja sitkuse suhet vastavalt rakenduse nõuetele – näiteks ehitusmasinate ketid vajavad suuremat sitkust, samas kui täppisülekandeketid vajavad suuremat kõvadust;
Mikrostruktuuri ja mõõtmete stabiliseerimine: metalli sisemine mikrostruktuur stabiliseeritakse, et vältida keti mõõtmete deformatsiooni, mis on põhjustatud mikrostruktuuri muutustest kasutamise ajal ja mis võib mõjutada ülekande täpsust.
II. Rullketi karastusprotsessi põhiparameetrid ja kontrollpunktid
Karastusprotsessi efektiivsus sõltub kolme põhiparameetri – temperatuuri, aja ja jahutuskiiruse – täpsest kontrollist. Erinevad parameetrite kombinatsioonid võivad anda oluliselt erinevaid tulemusi. Karastusprotsessi tuleb kohandada rullketi erinevatele komponentidele (rullid, puksid, tihvtid ja plaadid), kuna nende koormusomadused ja jõudlusnõuded on erinevad.
1. Temperatuuri karastamine: jõudluse juhtimise „põhinupp”
Karastustemperatuur on töödeldava detaili lõpptulemuse määramisel kõige olulisem tegur. Temperatuuri tõustes töödeldava detaili kõvadus väheneb ja sitkus suureneb. Sõltuvalt rullketi rakendusest liigitatakse karastustemperatuure üldiselt järgmiselt:
Madaltemperatuuriline karastamine (150–250 °C): kasutatakse peamiselt komponentide puhul, mis vajavad suurt kõvadust ja kulumiskindlust, näiteks rullide ja pukside puhul. Madaltemperatuuriline karastamine säilitab tooriku kõvaduse HRC 55–60 juures, kõrvaldades samal ajal teatud sisemise pinge, mistõttu sobib see kõrgsageduslike ja väikese löögikoormusega ülekanderakenduste (näiteks tööpinkide spindli ajamite) jaoks.
Keskmise temperatuuriga karastamine (300–450 °C): sobib komponentidele, mis vajavad suurt tugevust ja elastsust, näiteks tihvtid ja kettplaadid. Pärast keskmise temperatuuriga karastamist langeb tooriku kõvadus HRC-ni 35–45, mis parandab oluliselt selle voolavuspiiri ja elastsuspiiri, võimaldades sellel taluda suuri löökkoormusi (nt ehitusmasinates ja kaevandusseadmetes).
Kõrgtemperatuuriline karastamine (500–650 °C): Seda kasutatakse harva südamiku rullkettide komponentide puhul, ainult spetsiaalsetes rakendustes abikomponentide jaoks, mis nõuavad suurt sitkust. Sellel temperatuuril väheneb kõvadus veelgi (HRC 25–35), kuid löögisitkus paraneb märkimisväärselt.
Peamised kontrollpunktid: Temperatuuri ühtlus karastusahjus on ülioluline, kusjuures temperatuurierinevused peavad olema ±5 °C piires. Ebaühtlased temperatuurid võivad sama partii toorikute puhul põhjustada olulisi jõudlusvariatsioone. Näiteks võivad liiga kõrged lokaalsed temperatuurid rullikutel tekitada „pehmeid kohti“, mis vähendavad kulumiskindlust. Liiga madalad temperatuurid võivad sisemisi pingeid mittetäielikult kõrvaldada, mis viib pragunemiseni.
2. Karastamisaeg: mikrostruktuuriliseks transformatsiooniks „piisav tingimus”
Karastusaeg peab tagama töödeldava detaili piisava mikrostruktuurilise transformatsiooni, vältides samal ajal ülekarastuse põhjustatud jõudluse halvenemist. Liiga lühike aeg takistab täielikku sisemise pinge vabanemist, mille tulemuseks on mittetäielik mikrostruktuuriline transformatsioon ja ebapiisav sitkus. Liiga pikk aeg suurendab tootmiskulusid ja võib viia ka kõvaduse liigse vähenemiseni. Rullketi komponentide karastusaja määravad üldiselt töödeldava detaili paksus ja ahju koormus:
Õhukeseinalised komponendid (näiteks ketiplaadid, paksusega 3–8 mm): karastamisaeg on üldiselt 1–2 tundi;
Paksuseinalised komponendid (näiteks rullid ja tihvtid läbimõõduga 10–30 mm): karastamisaega tuleks pikendada 2–4 tunnini;
Suuremate ahjukoormuste korral tuleks karastusaega pikendada 10–20% võrra, et tagada ühtlane soojusülekanne töödeldava detaili südamikule.
Peamised kontrollpunktid: „Astmelise temperatuuri tõusu” meetodi abil saab karastamise efektiivsust optimeerida – kõigepealt tõstke ahju temperatuur 80%-ni sihttemperatuurist, hoidke seda 30 minutit ja seejärel tõstke see sihttemperatuurini, et vältida tooriku uute termiliste pingete tekkimist kiire temperatuuritõusu tõttu.
3. Jahutuskiirus: stabiilse jõudluse „viimane kaitseliin”
Jahutuskiirusel pärast karastamist on tooriku jõudlusele suhteliselt väike mõju, kuid seda tuleb siiski korralikult kontrollida. Tavaliselt kasutatakse õhkjahutust (loomulik jahutus) või ahjujahutust (ahjujahutus):
Pärast madalal temperatuuril karastamist kasutatakse õhkjahutust tavaliselt temperatuuri kiireks alandamiseks toatemperatuurini ja pikaajalise kokkupuute vältimiseks keskmise temperatuuriga, mis võib viia kõvaduse kadu.
Kui pärast keskmise temperatuuriga karastamist on vaja suuremat sitkust, saab kasutada ahjujahutust. Aeglane jahutusprotsess peenestab veelgi terasuurust ja parandab löögikindlust.
Peamised kontrollpunktid: Jahutusprotsessi ajal on oluline vältida töödeldava pinna ja õhu vahelist ebaühtlast kokkupuudet, mis võib viia oksüdeerumiseni või dekarboniseerumiseni. Pinna kvaliteedi tagamiseks võib karastusahju sisse viia kaitsegaase, näiteks lämmastikku, või töödeldava pinna peale kanda oksüdatsioonivastaseid katteid.
III. Rullketi karastamise levinumad probleemid ja lahendused
Isegi kui põhiparameetrid on arusaadavad, võib karastamise kvaliteediprobleeme tegelikus tootmises siiski esineda selliste tegurite tõttu nagu seadmed, töö või materjalid. Järgnevalt on toodud neli kõige levinumat probleemi, millega rullkettide karastamise ajal kokku puututakse, ja nende vastavad lahendused:
1. Ebapiisav või ebaühtlane kõvadus
Sümptomid: Tooriku kõvadus on madalam kui projekteerimisnõue (nt rulli kõvadus ei ulatu HRC 55-ni) või sama tooriku eri osade kõvaduse erinevus ületab HRC 3. Põhjused:
Karastamistemperatuur on liiga kõrge või hoidmisaeg on liiga pikk;
Karastusahju temperatuurijaotus on ebaühtlane;
Tooriku jahutuskiirus pärast karastamist on ebapiisav, mille tulemuseks on mittetäielik martensiidi moodustumine.
Lahendused:
Kalibreerige karastusahju termoelementi, jälgige regulaarselt temperatuuri jaotust ahjus ja vahetage välja vananevad küttetorud;
Kontrollige temperatuuri ja aega rangelt vastavalt protsessilehele ning kasutage etapiviisilist hoidmist;
Optimeerige karastamis- ja jahutusprotsessi, et tagada tooriku kiire ja ühtlane jahutamine.
2. Sisemine pinge ei ole kõrvaldatud, mis põhjustab kasutamise ajal pragunemist
Sümptomid: Keti esmase paigaldamise ja kasutamise ajal võib tihvt või ketiplaat ootamatult puruneda, põhjustades hapra murru.
Põhjused:
Karastustemperatuur on liiga madal või hoidmisaeg liiga lühike, mille tulemuseks on sisepingete ebapiisav vabanemine;
Toorikut ei karastata kohe pärast karastamist (rohkem kui 24 tundi), mis põhjustab sisepingete akumuleerumist. Lahendus:
Tõsta karastustemperatuuri vastavalt töödeldava detaili paksusele (nt tihvtide puhul 300 °C-lt 320 °C-le) ja pikenda hoidmisaega.
Pärast karastamist tuleb toorikut 4 tunni jooksul karastada, et vältida pikaajalist pingete kogunemist.
Jääkpingete edasiseks kõrvaldamiseks kasutage võtmekomponentide puhul „teisese karastamise” protsessi (pärast esialgset karastamist jahutage toatemperatuurini ja seejärel karastage uuesti kõrgemal temperatuuril).
3. Pinna oksüdeerimine ja dekarboniseerimine
Sümptomid: Tooriku pinnale ilmub hallikasmust oksiidikiht või kõvadusmõõtur näitab, et pinna kõvadus on madalam kui südamiku kõvadus (dekarboniseerimiskiht on paksusega üle 0,1 mm).
Põhjus:
Liigne õhusisaldus karastusahjus põhjustab tooriku ja hapniku vahel reaktsiooni.
Liigne karastusaeg põhjustab süsiniku difundeerumist ja pinnalt hajumist. Lahendus: Kasutage suletud karastusahju lämmastiku- või vesinikukaitseatmosfääriga, et hoida ahju hapnikusisaldus alla 0,5%. Lühendage ebavajalikku karastusaega ja optimeerige ahju laadimismeetodit, et vältida toorikute ületäitumist. Kergelt oksüdeerunud toorikute puhul tehke pärast karastamist pinnakatte eemaldamiseks haavelpuhastus.
4. Mõõtmete deformatsioon
Sümptomid: Rullide liigne ovaalsus (üle 0,05 mm) või valesti joondatud ketiplaadi augud.
Põhjus: Liiga kiire karastuskuumutamine või -jahutamine tekitab termilist pinget, mis viib deformatsioonini.
Töödeldavate detailide ebaõige paigutamine ahju laadimise ajal põhjustab ebaühtlast pinget.
Lahendus: Termilise pinge vähendamiseks kasutage aeglast kuumutamist (50 °C/tunnis) ja aeglast jahutamist.
Projekteerige spetsiaalsed kinnitusdetailid, mis tagavad tooriku vaba püsimise karastamise ajal, et vältida survedeformatsiooni.
Ülitäpsete osade puhul lisage pärast karastamist sirgendamise etapp, kasutades mõõtmete korrigeerimiseks survega sirgendamist või kuumtöötlust.
IV. Karastusprotsessi kvaliteedikontroll ja vastuvõtukriteeriumid
Selleks, et rullketi komponendid vastaksid pärast karastamist jõudlusnõuetele, tuleb luua põhjalik kvaliteedikontrolli süsteem, mis hõlmab nelja mõõdet: välimus, kõvadus, mehaanilised omadused ja mikrostruktuur.
1. Välimuse kontroll
Kontrolli sisu: pinnadefektid, näiteks katlakivi, praod ja mõlgid.
Kontrollimeetod: visuaalne kontroll või kontroll luubiga (10-kordne suurendus).
Vastuvõtukriteeriumid: Pinnal ei tohi olla nähtavaid katlakivikihte, pragusid ega ebatasasusi ning värvus peab olema ühtlane.
2. Kõvaduse kontroll
Kontrolli sisu: pinna kõvadus ja kõvaduse ühtlus.
Kontrollimeetod: Rullide ja tihvtide pinna kõvaduse mõõtmiseks kasutage Rockwelli kõvadusmõõturit (HRC). Igast partiist võetakse juhuslikult 5% toorikuid ja kontrollitakse iga tooriku kolme erinevat kohta.
Vastuvõtukriteeriumid:
Rullid ja puksid: HRC 55–60, kõvaduse erinevusega ≤ HRC3 sama partii piires.
Tihvti ja ketiplaadi kõvadus: HRC 35–45, kõvaduse erinevusega ≤ HRC2 sama partii piires. 3. Mehaaniliste omaduste katsetamine
Testi sisu: tõmbetugevus, löögikindlus;
Katsemeetod: Tõmbekatse (GB/T 228.1) ja löögikatse (GB/T 229) jaoks valmistatakse iga kvartali kohta ühest toorikupartiist standardproovid;
Vastuvõtukriteeriumid:
Tõmbetugevus: tihvtid ≥ 800 MPa, ketid ≥ 600 MPa;
Löögikindlus: tihvtid ≥ 30 J/cm², ketid ≥ 25 J/cm².
4. Mikrostruktuuri testimine
Testi sisu: sisemine struktuur on ühtlane karastatud martensiit ja karastatud bainiidist;
Katsemeetod: töödeldava detaili ristlõiked lõigatakse, poleeritakse ja söövitatakse ning seejärel vaadeldakse neid metallograafilise mikroskoobi abil (400-kordne suurendus);
Vastuvõtukriteeriumid: ühtlane struktuur ilma võrgustikukarbiidide või jämedate teradeta ning dekarboniseeritud kihi paksus ≤ 0,05 mm.
V. Tööstustrendid: intelligentsete karastusprotsesside arengusuund
Tööstus 4.0 tehnoloogiate laialdase kasutuselevõtuga arenevad rullkettide karastamise protsessid intelligentsete, täpsete ja keskkonnasõbralike protsesside suunas. Järgnevalt on toodud kolm peamist suundumust, mida tasub tähele panna:
1. Intelligentne temperatuuri juhtimissüsteem
Asjade interneti (IoT) tehnoloogiat kasutades paigutatakse karastusahju mitu komplekti ülitäpseid termopaare ja infrapunatemperatuuriandureid, et koguda reaalajas temperatuuriandmeid. Tehisintellekti algoritmide abil reguleeritakse küttevõimsust automaatselt, et saavutada temperatuuri reguleerimise täpsus ±2 °C piires. Lisaks salvestab süsteem iga toorikute partii karastuskõvera, luues jälgitava kvaliteediarvestuse.
2. Digitaalne protsesside simulatsioon
Lõplike elementide analüüsi tarkvara (näiteks ANSYS) abil simuleeritakse tooriku temperatuuri- ja pingevälju karastamise ajal, et ennustada võimalikku deformatsiooni ja ebaühtlast jõudlust, optimeerides seeläbi protsessi parameetreid. Näiteks saab simulatsiooni abil määrata konkreetse rullimudeli jaoks optimaalse karastamisaja, suurendades efektiivsust 30% võrreldes traditsiooniliste katse-eksituse meetoditega.
3. Rohelised ja energiasäästlikud protsessid
Madala temperatuuri ja lühiajalise karastustehnoloogia väljatöötamine vähendab katalüsaatori lisamise abil karastustemperatuuri ja energiatarbimist. Jääksoojuse taaskasutussüsteemi rakendamine karastusahjust väljuva kõrge temperatuuriga suitsugaasi soojuse taaskasutamiseks toorikute eelsoojendamiseks saavutab üle 20% energiasäästu. Lisaks vähendab vees lahustuvate antioksüdatsioonikatete kasutamise edendamine traditsiooniliste õlipõhiste katete alternatiivina lenduvate orgaaniliste ühendite heitkoguseid.
Postituse aeg: 08.09.2025