Технология индукционной электротермической обработки

М.О. РАБИН, А.Г. ОРЛОВСКИЙ
ISSN 0026-0819. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 6. 1963 г.

На нашем заводе впервые использовали индукционный нагрев для термической обработки автомобильных деталей. В 1937—1938 гг. совместно с лабораторией проф. В. П. Вологдина была освоена поверхностная закалка шеек коленчатого вала двигателя ЗИС-5 в поточной линии механообрабатывающего цеха на высокочастотном станке-полуавтомате. Удельный вес термической обработки с использованием индукционного нагрева для поверхностного упрочнения деталей на ЗИЛе по отношению к другим способам поверхностного упрочнения составляет более 61 % (автомобили ЗИЛ-164А и ЗИЛ157К).

Поверхностная закалка при поверхностном нагреве изделия. Это наиболее распространенный вид термической обработки с использованием индукционного нагрева.

Глубина закаленного слоя определяется глубиной слоя, нагретого до температуры закалки. Местной поверхностной закалке подвергают детали из сталей 45, 40Х, 40ХНМА и др. В большинстве случаев местную поверхностную закалку используют для повышения износостойкости деталей, у которых запасы прочности достаточно велики (распределительные и коленчатые валы, оси, стержни переключения, разжимные кулаки и др.).

Местную закалку в отдельных случаях используют также для упрочнения наиболее нагруженных участков деталей с целью повышения их общей прочности (например, упрочнение трубы полуоси автомобиля ЗИЛ-164А). Раньше трубу изготовляли из нормализованной стали 40Х или улучшенной (для автобусов), и за счет прочности мате-риала трубы обеспечивалась конструктивная прочность наиболее нагруженного участка.

После анализа распределения рабочих напряжений на трубе были упрочнены поверхностной закалкой места приложения наибольшего знакопеременного изгибающего момента. В результате прочность трубы из углеродистой стали 45, закаленной на глубину 2-4 мм при HRC 50-62, превысила прочность трубы из нормализованной или улучшенной стали 40Х. Внедрение процесса упрочнения трубы полуоси из стали 45 в 1959 г. дало 230 000 руб. экономии (в новом масштабе цен).

Использование местной закалки для повышения прочности деталей — одно из главных направлений в развитии индукционной термической обработки на заводе.

Поверхностная закалка при глубинном нагреве. При поверхностном индукционном нагреве под закалку требуются значительные генераторные мощности (0,8-2 кВт на 1 см² нагреваемой поверхности). Кроме потребности в значительных мощностях нагрева, в ряде случаев встречаются большие трудности в осуществлении поверхностного нагрева под закалку по обводу деталей сложного профиля (например, зубьев шестерен).

Применение двухчастотного нагрева для шестерен, при котором можно получать поверхностный нагрев по профилю зуба, требует использования весьма больших мощностей токов звуковых и радиочастот. Это ограничивает область применения индукционной закалки приповерхностном нагреве изделия.

На нашем заводе для закалки шестерен разработана и используется сталь пониженной прокаливаемости (критический диаметр 6-15 мм); глубина закалки обусловливается ограничением прокаливаемости стали [2]. Нагрев под закалку осуществляется при малых удельных мощностях (0,2-0,05 кВт/см²).

Применение сравнительно небольших мощностей, отсутствие необходимости в концентрации этой мощности строго по заданной сложной поверхности детали делают использование этой стали при указанном глубинном нагреве полезной для термической обработки шестерен и других деталей с тонким сечением упрочняемого элемента.

Сталь пониженной прокаливаемости 55ПП при закалке после глубинного индукционного нагрева используется для изготовления и термической обработки ведомой цилиндрической шестерни заднего моста автомашины ЗИЛ-164 взамен стали ЗОХГТ после цементации и закалки [3]. Этот метод применяется также на Горьковском автозаводе [4].

На рис. 1 показана макроструктура закаленной шестерни из стали 55ПП после глубинного индукционного нагрева. Нагрев на частоте 2500 Гц, мощность 140-150 кВт, время нагрева 76 сек, время охлаждения 6 сек, темп выдачи детали 120 сек.

Рис.1. Макроструктура ведомой шестерни заднего моста ЗИЛ-164 из стали 55ПП после индукционной закалки.

Внедрение указанного процесса в 1961 г. в поток механической обработки дало экономию 172 000 руб. Применение стали с ограниченной И регулируемой прокаливаемостью открывает новые области применения индукционного нагрева для термической обработки не только шестерен, но и других массовых деталей.

Поверхностная закалка ковкого ферритного чугуна. Поверхностная закалка ковкого ферритного чугуна обеспечивает весьма выгодное сочетание свойств в чугунной отливке — высокой износостойкости закаленной поверхности в условиях сухого трения при сохранении высоких прочностных характеристик.

На нашем заводе впервые была освоена закалка ТВЧ деталей из ковкого ферритного чугуна, и этот процесс был внедрен в поточную линию механической обработки для тормозных колодок и распорных втулок [5].

При обычном поверхностном нагреве под закалку стальных деталей в ковких ферритных чугунах диффузионное растворение углерода по всему объему слоя не успевает завершиться. Для увеличения скорости диффузионного насыщения применяют высокую температуру нагрева 1000-1050 °С. Режим нагрева под поверхностную закалку разделяется на три стадии:
1) нагрев при малой удельной мощности до 600-700 °С;
2) форсирование нагрева за счет увеличения удельных мощностей нагрева до 1000-1050 °С;
3) выдержка при этой температуре.

Общее время нагрева под закалку составляет 80-130 сек. Как показал опыт, в качестве охлаждающей среды при закалке может быть использована вода.

Закалка ковкого ферритного чугуна расширяет область применения индукционного нагрева для термической обработки.

Вследствие возможности поверхностной закалки ковкого ферритного чугуна стальной кованый кронштейн задней дополнительной рессоры заменен чугунным литым кронштейном.

На рис. 2 показаны исходная и закаленная структуры ковкого ферритного чугуна.

Рис.2. Макроструктура ковкого ферритного чугуна:
а — исходная; ×100;  б — закаленного слоя; ×250.

Отпуск при индукционной закалке. Необходимость проведения отпуска после закалки с индукционным нагревом означает разрыв технологического цикла в поточной линии обработки вследствие высокой длительности процесса обычного отпуска (1-1,5 ч). Сокращение длительности отпуска до длительности, соизмеримой по времени с операциями механической обработки и поверхностной закалки (1-2 мин), является одним из условий, обеспечивающих внедрение процесса индукционной термической обработки в поток механической обработки. Сокращается длительность процесса, главным образом вследствие повышения температуры отпуска.

Самоотпуск. При поверхностной закалке с индукционного нагрева лишь 50-80 % тепла, полученного деталью при нагреве, используется непосредственно на нагрев закаленного слоя. Остальное тепло аккумулируется в сердцевине детали и при ограничении времени принудительного охлаждения закаливаемой поверхности может быть использовано для самоотпуска. Исследования показали, что при самоотпуске, длительность которого не превышает 10-60 сек, а температура поверхности на 60-80 °С выше назначаемой температуры обычного печного отпуска, действие обычного отпуска и самоотпуска одинаковы. Большим преимуществом самоотпуска является возможность проведения его немедленно после закалки, что позволяет эффективно предотвращать закалочные трещины. В настоящее время при обработке более 80 % деталей, проходящих индукционную закалку, используется самоотпуск. Самоотпуск заменяет низкотемпературный печной отпуск.

Однако самоотпуск можно применять и для замены высокотемпературного отпуска (улучшение поршневого пальца для подготовки структуры под поверхностную закалку).

Поршневой палец изготовляют из нормализованной стали 45. Для обеспечения прочности пальца и главным образом для получения мелкодисперсной структуры, обеспечивающей возможность сокращения времени перевода нагреваемого под закалку слоя в аустенит в течение примерно 0,7 сек, поршневой палец предварительно улучшается. Улучшение пальца сводится к объемному индукционному нагреву его и затем к кратковременному охлаждению водяным душем поверхности с таким расчетом, чтобы при ограничении времени охлаждения структура сердцевины была сорбитной или троостосорбитной, с твердостью HRC 28-35, соответствующей структуре обычного улучшения. Подробное описание этого процесса дано в работе [6].

Электроотпуск. По условиям индукционного нагрева и охлаждения после закалки не всегда можно обеспечить самоотпуск, особенно на тонких сечениях деталей и деталях сложной формы. В таких случаях обычный отпуск целесообразно заменить электроотпуском при индукционном нагреве токами повышенной или промышленной частоты. При этом сокращение длительности отпуска достигается за счет повышения температуры отпуска, что может быть легко достигнуто равномерным прогревом изделия по сечению закаленного слоя.

Высокотемпературный электроотпуск на твердость HRC 23-35 после поверхностной закалки проводится на резьбовом конце полуосевой трубы из стали 45. Улучшение резьбы необходимо для повышения прочности на смятие и срез.

Электроотпуск осуществляется в том же индукторе, что и для нагрева под закалку. Во многих случаях для электроотпуска целесообразно использовать ток промышленной частоты.

В настоящее время на ЗИЛе изготовлен и испытывается индуктор для электроотпуска осей коромысел клапанов ЗИЛ-130, питаемый от сети 50 Гц через трансформатор. Такой нагреватель монтируется вместе с индукционным закалочным устройством и составляет единый агрегат для индукционной термической обработки.

Выбор частоты. Частота тока обусловливает выбор параметров индукционного нагрева и оборудования.

Рациональный выбор частоты тока связан с экономической эффективностью процесса. Для правильного выбора частоты в данном случае может быть использована таблица, составленная на основании производственною опыта.

Таблица 1

Частота в Гц	Рациональная глубина закалки в мм	Минимальный диаметр при нагреве под закалку в мм
		возможный	желательный
1000	3-17	22	44
2500	2-11	14	28
8000	1-6	8	16
70000	0,5-3	2,5	5

Перспективы внедрения технологии индукционного нагрева.

Специализированные установки для термической обработки имеют механизированную загрузку и выдачу деталей.

Предполагается внедрение процессов термической обработки тяжелонагруженных деталей (полуосей, поворотных кулаков, шкворней поворотных кулаков и др.).

В связи с разработкой и освоением сталей ограниченной прокаливаемости появляется возможность комплексного использования индукционного нагрева под горячую накатку шестерен и последующей поверхностной закалки в поточной линии механической обработки.

Разработанный и внедренный на заводе процесс газовой цементации с индукционным нагревом, позволивший решить вопрос изготовления шестерен в единой поточной линии механообрабатывающего цеха, в связи с переходом на изготовление нового автомобиля заменен цементацией и нитроцементацией.

При дальнейшей разработке технологических процессов будет продолжено освоение технологии нитроцементации с индукционным нагревом.

На заводе проводятся работы по использованию индукционного электронагрева для термомеханической обработки рессор.

Внедрение новых технологических процессов и расширение индукционной электротермической обработки сократят трудоемкость и себестоимость изготовления автомобильных деталей, повысят надежность эксплуатации автомобилей и улучшат условия труда рабочих.

Список литературы:

1. Шепеляковский К.3., Рыскин С.Е. Техника применения индукционного нагрева. Машгиз, 1949.
2. Шепеляковский К.3. «МиТОМ», 1960, № 12.
3. Шепеляковский К.3. «Автомобильная промышленность», 1962, № 10.
4. Натанзон Е. И. «Автомобильная промышленность», 1962, № 8.
5. Рабин М.О. «Литейное производство», 1954, № 9.
6. Шкляров И.Н., Огневский В. А. «Вестник машиностроения», 1959, № 9.