blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2018-6-423-430blackmet-1354Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОДО-ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОДШИПНИКОВЫХ КОЛЕЦAPPLICATION OF WATER-AIR COOLING TECHNOLOGIES FOR HEAT TREATMENT OF BEARING RINGSЯрошенкоЮ. Г.YaroshenkoYu. G.

 д.т.н., профессор-консультант кафедры теплофизики  и информатики в металлургии.

620002, Россия, Екатеринбург, ул. Мира, 28.

Professor-Сonsultant of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”. 

Ekaterinburg.

yury-y@planet-a.ruЛипуновЮ. И.LipunovYu. I.

 к.т.н., директор Центра новых систем охлаждения  и технологий термоупрочнения металлов. 

620137, Россия, Екатеринбург, ул. Студенческая, 16.

Cand. Sci. (Eng.), Director of the Center of Modern Cooling Systems and Thermohardening Metals Technologies. 

Ekaterinburg.

vniimt@yandex.ruСмахановА. Б.SmakhanovA. B.

магистрант кафедры теплофизики и информатики  в металлургии.

620002, Россия, Екатеринбург, ул. Мира, 28.

MA Student of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”.

Ekaterinburg.

47alisher@gmail.comСтоляроваМ. В.StolyarovaM. V.

к.т.н., научный сотрудник Центра новых систем охлаждения и технологий термоупрочнения металлов.

620137, Россия, Екатеринбург, ул. Студенческая, 16.

Cand. Sci. (Eng.), Research Associate of the Center of Modern cooling Systems and Thermohardening Metals Technologies. 

Ekaterinburg.

vniimt@yandex.ruУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина .РоссияUral Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin.Russian FederationОАО «Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники» («ВНИИМТ»).РоссияOJSC “Scientific Research Institute of Metallurgical Heat Engineering” (“VNIIMT”) .Russian Federation201827072018616423430Copyright © Ярошенко Ю.Г., Липунов Ю.И., Смаханов А.Б., Столярова М.В., 20182018Ярошенко Ю.Г., Липунов Ю.И., Смаханов А.Б., Столярова М.В.Yaroshenko Y.G., Lipunov Y.I., Smakhanov A.B., Stolyarova M.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1354

В статье представлены результаты математического моделирования и экспериментальных исследований, выполненных в ходе разработки технологии дифференцированного водо-воздушного охлаждения подшипниковых колец из стали ШХ15 производства ЗАО  «Вологодский подшипниковый завод». Наложение рассчитанных по разработанной в ОАО «ВНИИМТ» математической модели кривых изменения температуры по сечению подшипника на термокинетическую диаграмму распада переохлажденного аустенита показало, что в  широком  диапазоне режимов дифференцированного водо-воздушного охлаждения достигается требуемая микроструктура термо обработанного металла. Экспериментальные исследования термоупрочнения подшипниковых колец водо-воздушными струями проведены на специально  смонтированном опытно-промышленном устройстве с системой охлаждения, оснащенной смесителями и коллекторами с  плоско-факельными форсунками оригинальной конструкции, которые обеспечивают устойчивость факела и равномерность распыла водо-воз душной  смеси в широком диапазоне изменения расхода и давления воды и воздуха. Проведенное на различных режимах охлаждения термическое  упрочнение колец с последующим определением механических свойств и структурных характеристик стали подтвердило, что технология  водо-воздушного охлаждения позволяет достичь требуемых структурных и механических характеристик подшипниковых колец и является  конкурентоспособной экологически чистой альтернативой технологии объемной закалки в масляном баке.

The paper presents the results of mathematical modeling and  experimental researches executed during the development of the  techno logy of differential water-air cooling of bearing rings made  of 52100 (EN1.3505) steel produced by JSC “Vologda Bearing  Plant”. Overlapping the mathematical model of temperature variation curves across the bearing cross-section on the thermokinetic  diagram of the decomposition of supercooled austenite calculated  according to the mathematical model developed by JSC VNIIMT  has shown that a required microstructure of the heat-treated metal is  achieved in a wide range of differentiated water-air cooling modes.  Experimental studies of heat-strengthening of bearing rings by water-air jets were carried out on a specially assembled experimental  industrial device with a cooling system equipped with mixers and  collectors with flat-jet nozzles of the original design that ensure the  stability of the torch and the uniformity of spraying the water-air  mixture over a wide range of flow rates and water and air pressure.  The thermal hardening of the rings carried out at various cooling  regimes, followed by the determination of the mechanical properties and structural characteristics of the steel, has confirmed that the  water-air cooling technology achieves the required structural and  mechanical characteristics of the bearing rings and is a competitive,  environmentally friendly alternative to the technology of volume  quenching in oil tank.

 термическая обработка закалка подшипниковая сталь водо-воздушное охлаждение форсунка математическое моделирование твердость микроструктураheat treatment quenching bearing steel water-air cooling  nozz le mathematical modeling hardness microscopic structureReferencesЛюты В. Закалочные среды. Справочник/Под ред. С.Б. Масленкова;/Пер. с польск. -Челябинск: Металлургия, 1990. -192 с.Luty  W.  Chtodziwa hartownicze.  Warszawa,  1986.  (Russ.ed.:  Luty  W. Zakalochnye sredy: Sprav. izd. Trans. from Polish. Chelyabinsk: Metallurgiya, 1990, 192 p.) (In Pol.).Heat treatment problems solved by new quenching medium//Metallwork Praduc. 1967. Vol. 3. No. 4. P. 65, 66.Heat treatment problems solved by new quenching medium. Metallwork Praduc. 1967, vol. 3, no. 4, pp. 65–66.Lasday Stenley B. Metal quenching with oils and syntezetie media//Indastrial Heating. 1976. Vol. 43. No. 10. P. 8 -13, 16.Lasday Stenley B. Metal quenching with oils and syntezete media.  Indastrial Heating. 1976, vol. 43, no. 10, pp. 8–13, 16.Suttie N.R. The use of polymer quenchants for aluminium alloy heat treatment//Heat Treatment Metals. 1979. Vol. 6. No. 1. P. 19 -21.Suttie N.R. The use of polymer quenchants for aluminium alloy heat  treatment. Heat Treatment Metals. 1979, vol. 6, no. 1, pp. 19–21.AQUATENSID/AQUACOOL//http://www.petrofer.com/images/petrofer/dokumente/produkte/en/PET_1_QUENCHANTS_EN.pdfAQUATENSID /AQUACOOL. Available  at:  http://www.petrofer.com/images/petrofer/dokumente/produkte/en/PET_1_QUENCHANTS_EN.pdfAqua-Quench/https://www.houghtonintl.com/en-gb/find-your-pro ducts?search=&application=All&industry=AllAqua-Quench. Available at: https://www.houghtonintl.com/en-gb/find-your-products?search=&application=All&industry=Allhttp://www.spray.de/spray_nozzles/spray_nozzles_overview.aspxSpraying Systems Co.  Available  at:  http://www.spray.de/spray_nozzles/spray_nozzles_overview.aspxЖелудкевич М.С. Теплотехнологические основы управляемого водовоздушного охлаждения при закалке изделий из железоуглеродистых сплавов: Автореф. дис. д.т.н.: -Минск, 2001. -34 с.Zheludkevich M.S. Teplotekhnologicheskie osnovy upravlyaemogo vodovozdushnogo okhlazhdeniya pri zakalke izdelii iz zhelezouglerodistykh splavov: avtoref. diss…dokt. tekh. nauk [Heat engineering basics of controlled water-air cooling during quenching of  products of iron-carbon alloys: Extended Abstract of Dr. Sci. Diss.].  Minsk: 2001, 34 p. (In Russ.). Машеков С.А., Абсадыков Б.Н., Алимкулов М.М. Физическое моделирование при исследовании влияния режимов прокатки и охлаждения водо-воздушной смесью на качество рельсов//Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2. С. 2.Mashekov S.A., Absadykov B.N., Alimkulov M.M. Physical modeling in the study of the effect of modes of rolling and water-air  mixture cooling on the rails quality. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2015, no. 2, р. 2. (In Russ.). Глазков Л.А., Желудкевич М.С., Желянин Т.Л., Табулин А.А., Ресурсосберегающий технологический процесс термической обработки крупногабаритных штампов//Вестник БНТУ. 2009. № 2. С. 31 -34.Glazkov L.A., Zheludkevich M.S., Zelenin T.L., Tabolin A.A. Resource-saving technological process of heat treatment of large dies.  Vestnik BNTU. 2009, no. 2, pp. 31–34.Golovko A.N., Rodman D., Nürnberger F. etc. Investigation of the Water-Air Cooling Process of the ThickWalled Extruded Profile Made of Alloy En Aw-6060 on the Output Table // Metallurgical and Mining Industry. 2012. Vol. 4. No. 2. Р. 66 - 74.Golovko A.N., Rodman F., Njurnberger F. Investigation of the water-air cooling process of the thick walled extruded profile made of  alloy En Aw-6060 on the output table. Metallurgical and Mining Industry. 2012, vol. 4, no. 2, pp. 66–74.Yaroshenko Y.G., Startseva M.V., Lipunov Y.I. etc. Developing a Modern Thermal Strengthening Technique for Regulated Fishplate Cooling // WIT Transactions on Ecology and the Environment. 2014. Vol. 190. No. 1. Р. 491 - 499.Yaroshenko Y.G., Startseva M.V., Lipunov Y.I., Eismondt K.Y.,  Nekrasova E.V . Developing modern thermal strengthening technique for regulated fishplate cooling . WIT Transactions on Ecology and the Environment. 2014, vol. 190, no. 1, pp. 491–499.Липунов Ю.И., Эйсмондт К.Ю., Старцева М.В. Внедрение современного энерго-и ресурсосберегающего оборудования и экологически чистой технологии термоупрочнения в производстве рельсовых накладок//Бюллетень «Черная металлургия». 2013. № 12. С. 61 -64.Lipunov Yu.I., Eismondt K.Yu., Startseva M.V., Yaroshenko Yu.G.,  Nekrasova E.V . Introduction of modern energy-saving equipment  and environmentally pure strengthening technology into the production of rail pads. Chernaya metallurgiya. Byul. in-ta “Chermetinformatsiya”. 2013, no. 12, pp. 61–64. (In Russ.). Будрин Д.В., Кондратов В.М. Водо-воздушное охлаждение при закалке//Металловедение и термическая обработка металлов. 1965. № 6. С. 22 -25.Budrin D.V., Kondratov V.M. Quenching in air-water mixtures.  Metal Science and Heat Treatment. 1965, vol. 7, no. 6, pp. 367–370. Systems for accelerated cooling of plates. Bernhard Ludwig, MDS Mannesmann Demag Sack GmbH, Düsseldorf // Metallurgical Plate and Technology. 1988. No. 4. Р.10 - 17.Systems for accelerated cooling of plates. Bernhard Ludwig, MDS  Mannesmann Demag Sack GmbH, Düsseldorf. Metallurgical Plate and Technology. 1988, no. 4, pр. 10–17.Lipunov Y.I., Zaynullin L.A., Startseva M.V. Development of high-efficiency technologies and devices of controlled cooling for thermohardening of metal//Advanced metals, ceramics and composites: proceedings of the XI China-Russia Symposium on Advanced Material & Technologies, ed. Hailing Tu, Solntsev K., Ring Zhou. Part I/China, Kunming, Yunnan Publishing Group Corporation, Yunnan Science & Technology Press, 2013. Р. 295 -298.Lipunov Yu.I., Zaynullin L.A., Startseva M.V . Development of  high–efficiency technologies and devices of controlled cooling for  thermohardening of metal. Proceedings of the XI China-Russia Symposium on Advanced Material & Technologies,  Hailing Tu,  Solntsev K., Ring Zhou eds. Part I. China, Kunming, Yunnan Publishing Group Corporation, Yunnan Science & Technology Press,  2013, pp. 295–298. Мандзяк И.И., Перерва В.Я., Шевченко Г.Л. Исследование водо-воздушного охлаждения при термической обработке металла. -В кн.: Энерго-и ресурсосбережение в теплоэнергетике и социальной сфере: Материалы Международной науч.-тех. конф. студ., аспир., ученых. -Челябинск: изд. ЮУрГУ, 2013. Т. 1. № 1. С. 206 -209.Mandzyak I.I., Pererva V.Ya., Shevchenko G.L. Investigation of  water-air cooling at heat treatment of metal. In: Energo- i resursosberezhenie v teploenergeticheskoi i sozial′noi sfere. Materialy mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi conferentsii stud., aspir., uchenykh. 2013. Chelyabinsk [Energy and resource saving in heat  power and the social sphere. Proc. of Int. Sci.-Tech. Conf. of Students, Postgraduates and Scientists 2013. Chelyabinsk]. Chelyabinsk: SUSU, 2013, vol. 1, no. 1, pp. 206–209. (In Russ.).Наседкина Я.И., Караваева М.В., Кайбышев О.А. Влияние комбинированной термомеханической обработки на структуру и механические свойства высокоуглеродистой подшипниковой стали//Вестник УГАТУ. Машиностроение. 2012. Т. 16. № 5 (50). С. 145 -148Nasedkina Ya.I., Karavaeva M.V., Kaibyshev O.A. Effect of combined thermomechanical treatment on the structure and mechanical  properties of high carbon bearing steel. Vestnik UGATU. Mashinostroenie. 2012, vol. 16, no. 5 (50), pp. 145–148. (In Russ.).Эйсмондт Ю.Г. Исследование закалочных сред, альтернативных закалочным маслам//Металловедение и термическая обработка металлов. 2000. № 11. С. 32 -36.Eismondt K.Yu. Study of the quenching medium, alternative to the  quenching oils. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 2000, no. 11, pp. 32–36. (In Russ.).Петраш Л.В. Закалочные среды. -М.:МАШГИЗ. 1959. -111 с.Petrash L.V . Zakalochnye sredy [Quenching medium]. Moscow:  Mashgiz, 1959, 111 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.