Postopek kaljenja valjčnih verig: ključna komponenta, ki določa zanesljivost menjalnika
V sektorju industrijskega prenosa,valjčne verigeSo ključne komponente za prenos moči in gibanja, njihova zmogljivost pa neposredno vpliva na učinkovitost delovanja in varnost celotnega stroja. Od težkih menjalnikov v rudarskih strojih do natančnega pogona preciznih obdelovalnih strojev, od terenskih del v kmetijskih strojih do prenosa moči v avtomobilskih motorjih, valjčne verige dosledno igrajo vlogo "mostočnega mostu". Pri izdelavi valjčnih verig je popuščanje, ključni korak v procesu toplotne obdelave, kot ključni korak, ki "kamen spremeni v zlato", kar neposredno določa trdnost, žilavost, odpornost proti obrabi in življenjsko dobo verige.
1. Zakaj je kaljenje "obvezen tečaj" pri izdelavi valjčnih verig?
Preden se lotimo postopka popuščanja, moramo najprej pojasniti: Zakaj je popuščanje valjčnih verig bistveno? To se začne z obdelavo osrednjih komponent verige: valjčkov, puš, zatičev in členkov. Po oblikovanju se komponente ključnih valjčnih verig običajno podvržejo postopku kaljenja: obdelovanec se segreje nad kritično temperaturo (običajno 820–860 °C), se pri tej temperaturi zadržuje nekaj časa in nato hitro ohladi (npr. v vodi ali olju), da se notranja struktura kovine pretvori v martenzit. Čeprav kaljenje znatno poveča trdoto obdelovanca (doseže HRC 58–62), ima tudi kritično pomanjkljivost: izjemno visoke notranje napetosti in krhkost, zaradi česar je dovzeten za lom zaradi udarcev ali vibracij. Predstavljajte si, da bi kaljeno valjčno verigo uporabili neposredno za prenos. Med začetno obremenitvijo se lahko pojavijo okvare, kot so zlom zatičev in razpoke valjčkov, kar ima katastrofalne posledice.
Postopek popuščanja obravnava problem »trdega, a krhkega« po kaljenju. Kaljeni obdelovanec se ponovno segreje na temperaturo pod kritično temperaturo (običajno 150–350 °C), pri tej temperaturi se nekaj časa vzdržuje in nato počasi ohladi. Ta postopek prilagodi notranjo strukturo kovine, da se doseže optimalno ravnovesje med trdoto in žilavostjo. Pri valjčnih verigah ima popuščanje ključno vlogo na treh ključnih področjih:
Sprostite notranje napetosti: Sprostite strukturne in toplotne napetosti, ki nastanejo med kaljenjem, s čimer preprečite deformacije in razpoke v obdelovancu zaradi koncentracije napetosti med uporabo;
Optimizacija mehanskih lastnosti: Prilagodite razmerje med trdoto, trdnostjo in žilavostjo glede na zahteve uporabe – na primer, verige za gradbene stroje zahtevajo večjo žilavost, medtem ko verige za precizne prenose zahtevajo večjo trdoto;
Stabilizacija mikrostrukture in dimenzij: Stabilizirajte notranjo mikrostrukturo kovine, da preprečite dimenzijsko deformacijo verige zaradi sprememb mikrostrukture med uporabo, kar bi lahko vplivalo na natančnost prenosa.
II. Ključni parametri in kontrolne točke postopka kaljenja valjčnih verig
Učinkovitost postopka popuščanja je odvisna od natančnega nadzora treh ključnih parametrov: temperature, časa in hitrosti hlajenja. Različne kombinacije parametrov lahko povzročijo bistveno različne rezultate delovanja. Postopek popuščanja je treba prilagoditi različnim komponentam valjčne verige (valji, puše, zatiči in plošče) zaradi njihovih različnih karakteristik obremenitve in zahtev glede delovanja.
1. Temperatura kaljenja: »Gumb za jedro« za nadzor delovanja
Temperatura popuščanja je najpomembnejši dejavnik pri določanju končne zmogljivosti obdelovanca. Z naraščanjem temperature se trdota obdelovanca zmanjšuje in njegova žilavost povečuje. Glede na uporabo valjčne verige se temperature popuščanja običajno razvrščajo v naslednje kategorije:
Nizkotemperaturno popuščanje (150–250 °C): Uporablja se predvsem za komponente, ki zahtevajo visoko trdoto in odpornost proti obrabi, kot so valjčki in puše. Nizkotemperaturno popuščanje ohranja trdoto obdelovanca HRC 55–60, hkrati pa odpravlja nekaj notranjih napetosti, zaradi česar je primerno za visokofrekvenčne prenosne aplikacije z nizkim udarcem (kot so pogoni vreten obdelovalnih strojev).
Srednjetemperaturno popuščanje (300–450 °C): Primerno za komponente, ki zahtevajo visoko trdnost in elastičnost, kot so zatiči in verižne plošče. Po srednjetemperaturnem popuščanju trdota obdelovanca pade na HRC 35–45, kar znatno izboljša njegovo mejo tečenja in mejo elastičnosti ter mu omogoča, da prenese velike udarne obremenitve (npr. v gradbenih strojih in rudarski opremi).
Visokotemperaturno popuščanje (500–650 °C): Redko se uporablja za komponente valjčnih verig, uporablja se le v specializiranih aplikacijah za pomožne komponente, ki zahtevajo visoko žilavost. Pri tej temperaturi se trdota dodatno zmanjša (HRC 25–35), vendar se udarna žilavost znatno izboljša.
Ključne kontrolne točke: Enakomernost temperature znotraj kalilne peči je ključnega pomena, pri čemer je treba temperaturne razlike nadzorovati znotraj ±5 °C. Neenakomerne temperature lahko povzročijo znatne razlike v delovanju znotraj iste serije obdelovancev. Na primer, pretirano visoke lokalizirane temperature na valjih lahko ustvarijo »mehke točke«, kar zmanjša odpornost proti obrabi. Pretirano nizke temperature lahko v celoti odpravijo notranje napetosti, kar vodi do razpok.
2. Čas popuščanja: »zadosten pogoj« za mikrostrukturno transformacijo
Čas popuščanja mora zagotoviti zadostno mikrostrukturno preobrazbo znotraj obdelovanca, hkrati pa se izogniti poslabšanju zmogljivosti zaradi prekomernega popuščanja. Prekratek čas preprečuje popolno sprostitev notranjih napetosti, kar povzroči nepopolno mikrostrukturno preobrazbo in nezadostno žilavost. Predolg čas poveča proizvodne stroške in lahko povzroči tudi prekomerno zmanjšanje trdote. Čas popuščanja za komponente valjčnih verig je običajno določen z debelino obdelovanca in obremenitvijo peči:
Tankostenske komponente (kot so verižne plošče, debeline 3–8 mm): Čas popuščanja je običajno 1–2 uri;
Debelostenske komponente (kot so valjčki in zatiči, premera 10–30 mm): Čas popuščanja je treba podaljšati na 2–4 ure;
Pri večjih obremenitvah peči je treba čas popuščanja povečati za 10–20 %, da se zagotovi enakomeren prenos toplote na jedro obdelovanca.
Ključne kontrolne točke: Uporaba metode »stopenjskega naraščanja temperature« lahko optimizira učinkovitost popuščanja – najprej dvignite temperaturo peči na 80 % ciljne temperature, jo zadržite 30 minut in nato na ciljno temperaturo, da se izognete novim toplotnim napetostim v obdelovancu zaradi hitrega naraščanja temperature.
3. Stopnja hlajenja: »Zadnja obrambna linija« za stabilno delovanje
Hitrost hlajenja po popuščanju ima relativno majhen vpliv na delovanje obdelovanca, vendar jo je treba še vedno ustrezno nadzorovati. Običajno se uporablja zračno hlajenje (naravno hlajenje) ali hlajenje v peči (hlajenje v peči):
Po nizkotemperaturnem popuščanju se običajno uporablja zračno hlajenje, da se temperatura hitro zniža na sobno temperaturo in se prepreči dolgotrajna izpostavljenost srednjim temperaturam, kar lahko povzroči izgubo trdote.
Če je po srednjetemperaturnem popuščanju potrebna večja žilavost, se lahko uporabi hlajenje v peči. Počasen postopek hlajenja dodatno zmehča velikost zrn in izboljša udarno odpornost.
Ključne kontrolne točke: Med postopkom hlajenja je pomembno preprečiti neenakomeren stik med površino obdelovanca in zrakom, saj lahko to povzroči oksidacijo ali razogljičenje. V peč za popuščanje se lahko vnesejo zaščitni plini, kot je dušik, ali pa se na površino obdelovanca nanesejo antioksidacijski premazi, da se zagotovi kakovost površine.
III. Pogoste težave s kaljenjem valjčnih verig in rešitve
Tudi če razumemo ključne parametre, se lahko v dejanski proizvodnji še vedno pojavijo težave s kakovostjo popuščanja zaradi dejavnikov, kot so oprema, delovanje ali materiali. Sledijo štiri najpogostejše težave, ki se pojavljajo med popuščanjem valjčnih verig, in njihove ustrezne rešitve:
1. Nezadostna ali neenakomerna trdota
Simptomi: Trdota obdelovanca je nižja od konstrukcijske zahteve (npr. trdota valja ne dosega HRC 55) ali pa razlika v trdoti med različnimi deli istega obdelovanca presega HRC 3. Vzroki:
Temperatura popuščanja je previsoka ali pa je čas zadrževanja predolg;
Porazdelitev temperature kalilne peči je neenakomerna;
Hitrost hlajenja obdelovanca po kaljenju je nezadostna, kar povzroči nepopolno tvorbo martenzita.
Rešitve:
Kalibrirajte termočlen kalilne peči, redno spremljajte porazdelitev temperature v peči in zamenjajte starajoče se grelne cevi;
Strogo nadzorujte temperaturo in čas v skladu s procesnim listom in uporabljajte postopno zadrževanje;
Optimizirajte postopek kaljenja in hlajenja, da zagotovite hitro in enakomerno hlajenje obdelovanca.
2. Notranje napetosti se ne odpravijo, kar vodi do razpok med uporabo
Simptomi: Med začetno namestitvijo in uporabo verige se lahko zatič ali plošča verige zlomi brez opozorila, kar povzroči krhek zlom.
Vzroki:
Temperatura popuščanja je prenizka ali čas zadrževanja je prekratek, kar povzroči nezadostno sproščanje notranjih napetosti;
Obdelovanec ni popuščen takoj po kaljenju (več kot 24 ur), kar vodi do kopičenja notranjih napetosti. Rešitev:
Ustrezno zvišajte temperaturo popuščanja glede na debelino obdelovanca (npr. s 300 °C na 320 °C za zatiče) in podaljšajte čas zadrževanja.
Po kaljenju je treba obdelovanec popustiti v 4 urah, da se prepreči dolgotrajno kopičenje napetosti.
Za ključne komponente uporabite postopek "sekundarnega popuščanja" (po začetnem popuščanju ohladite na sobno temperaturo in nato ponovno popustite pri povišanih temperaturah), da dodatno odpravite preostale napetosti.
3. Površinska oksidacija in razogljičenje
Simptomi: Na površini obdelovanca se pojavi sivo-črna oksidna lestvica ali pa tester trdote pokaže, da je površinska trdota nižja od trdote jedra (plast razogljičenja je debelejša od 0,1 mm).
Vzrok:
Prekomerna vsebnost zraka v peči za popuščanje povzroči reakcijo med obdelovancem in kisikom.
Predolgo popuščanje povzroči difuzijo in razpršitev ogljika s površine. Rešitev: Za nadzor vsebnosti kisika v peči pod 0,5 % uporabite zaprto peč za popuščanje z zaščitno atmosfero dušika ali vodika. Zmanjšajte nepotreben čas popuščanja in optimizirajte metodo nalaganja peči, da se izognete prekomernemu pakiranju obdelovancev. Pri obdelovancih, ki so rahlo oksidirali, po popuščanju izvedite peskanje, da odstranite površinsko okancino.
4. Dimenzijska deformacija
Simptomi: Prekomerna ovalnost valjev (več kot 0,05 mm) ali nepravilno poravnane luknje v verižni plošči.
Vzrok: Prehitro popuščanje, segrevanje ali hlajenje, povzroča toplotne napetosti, ki vodijo do deformacije.
Nepravilna postavitev obdelovancev med nalaganjem v peč povzroči neenakomerno napetost.
Rešitev: Za zmanjšanje toplotne obremenitve uporabite počasno segrevanje (50 °C/uro) in počasno hlajenje.
Zasnovajte specializirane vpenjalne naprave, ki zagotavljajo, da obdelovanec med popuščanjem ostane prost, da se prepreči deformacija zaradi stiskanja.
Za visoko precizne dele po popuščanju dodajte korak ravnanja, pri čemer uporabite ravnanje pod pritiskom ali toplotno obdelavo za popravek dimenzij.
IV. Kontrola kakovosti in merila sprejemljivosti postopka kaljenja
Da bi zagotovili, da komponente valjčnih verig po popuščanju izpolnjujejo zahteve glede zmogljivosti, je treba vzpostaviti celovit sistem nadzora kakovosti, ki izvaja celovite preglede v štirih dimenzijah: videz, trdota, mehanske lastnosti in mikrostruktura.
1. Pregled videza
Vsebina pregleda: Površinske napake, kot so škaja, razpoke in vdolbine.
Metoda pregleda: Vizualni pregled ali pregled s povečevalnim steklom (10-kratna povečava).
Merila sprejemljivosti: Na površini ni vidne škaje, razpok ali robov ter je barva enakomerna.
2. Preverjanje trdote
Vsebina pregleda: Trdota površine in enakomernost trdote.
Metoda pregleda: Za preverjanje površinske trdote valjev in zatičev uporabite Rockwellov trdomer (HRC). Naključno se vzorči 5 % obdelovancev iz vsake serije, pregledajo pa se tri različna mesta na vsakem obdelovancu.
Merila sprejemljivosti:
Valjčki in puše: HRC 55-60, z razliko trdote ≤ HRC3 znotraj iste serije.
Zatič in verižna plošča: HRC 35-45, z razliko trdote ≤ HRC2 znotraj iste serije. 3. Preizkušanje mehanskih lastnosti
Vsebina testa: Natezna trdnost, udarna žilavost;
Preskusna metoda: Standardni vzorci se pripravijo iz ene serije obdelovancev vsako četrtletje za natezno preskušanje (GB/T 228.1) in udarno preskušanje (GB/T 229);
Merila sprejemljivosti:
Natezna trdnost: Zatiči ≥ 800 MPa, verige ≥ 600 MPa;
Udarna žilavost: Zatiči ≥ 30 J/cm², verige ≥ 25 J/cm².
4. Testiranje mikrostrukture
Vsebina testa: Notranja struktura je enakomerno popuščen martenzit in popuščen bainit;
Preskusna metoda: Prerezi obdelovanca se razrežejo, polirajo in jedkajo, nato pa se opazujejo z metalografskim mikroskopom (400-kratna povečava);
Merila sprejemljivosti: Enakomerna struktura brez mrežnih karbidov ali grobih zrn in debelina razogljičene plasti ≤ 0,05 mm.
V. Trendi v industriji: Smer razvoja inteligentnih procesov kaljenja
Z razširjeno uporabo tehnologij Industrije 4.0 se procesi kaljenja valjčnih verig razvijajo v smeri inteligentnih, natančnih in zelenih procesov. Omeniti velja naslednje tri ključne trende:
1. Inteligentni sistem za nadzor temperature
Z uporabo tehnologije interneta stvari (IoT) je v kalilno peč nameščenih več sklopov visoko natančnih termočlenov in infrardečih temperaturnih senzorjev, ki zbirajo podatke o temperaturi v realnem času. Z uporabo algoritmov umetne inteligence se moč segrevanja samodejno prilagaja, da se doseže natančnost nadzora temperature v območju ±2 °C. Poleg tega sistem beleži krivuljo popuščanja za vsako serijo obdelovancev, kar ustvarja sledljiv zapis o kakovosti.
2. Digitalna simulacija procesov
Z uporabo programske opreme za analizo končnih elementov (kot je ANSYS) se simulirajo temperaturna in napetostna polja obdelovanca med popuščanjem, da se napove morebitna deformacija in neenakomerno delovanje, s čimer se optimizirajo procesni parametri. Simulacija lahko na primer določi optimalen čas popuščanja za določen model valja, kar poveča učinkovitost za 30 % v primerjavi s tradicionalnimi metodami poskusov in napak.
3. Zeleni in energetsko varčni procesi
Razvoj tehnologije nizkotemperaturnega, kratkotrajnega popuščanja zmanjšuje temperaturo popuščanja in porabo energije z dodajanjem katalizatorja. Z uvedbo sistema za rekuperacijo odpadne toplote za recikliranje toplote visokotemperaturnih dimnih plinov, ki se odvajajo iz peči za popuščanje, za predgrevanje obdelovancev, se dosežejo prihranki energije za več kot 20 %. Poleg tega spodbujanje uporabe vodotopnih antioksidacijskih premazov kot alternative tradicionalnim premazom na osnovi olja zmanjšuje emisije HOS.
Čas objave: 8. september 2025