Упрочнение чугунных деталей методом высокоэнергетического индукционного нагрева

УПРОЧНЕНИЕ ЧУГУННЫХ ДЕТАЛЕЙ МЕТОДОМ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Марусин В.В. (ИТПМ СО РАН, г. Новосибирск, РФ)

Степус П.П. (СГУПС, г. Новосибирск, РФ)

Рассмотрено индукционное упрочнение деталей из высокопрочного чугуна.

Induction hardening of details from high-tensile pig-iron is considered.

Ключевые слова: индукционная закалка, высокопрочный чугун

Keywords: induction hardening, high-tensile pig-iron

Отличительной особенностью высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) являются его высокие механические свойства, обусловленные шаровидным графитом, который в меньшей степени, чем пластинчатый графит в сером чугуне (СЧ), ослабляет рабочее сечение матрицы и не оказывает на нее сильного надрезывающего действия [1].

Износостойкость является положительной особенностью ВЧШГ, поэтому этот чугун часто применяется для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа и трения при высоких удельных давлениях и затрудненной смазке. Основные марки этих чугунов приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Основные характеристики высокопрочных чугунов

Марка чугуна	Механические свойства			Массовая доля элементов							Термическая обработка
	ơ₀ кгс/мм²	а_н кгс·м/см²	HB	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni
	не менее		HB	C	Si	не более				Ni
Перлитно-ферритный чугун
ВЧ 45-5	33	3	160-220	3,4-3,8	2,1-2,7	0,4	0,1	0,02	0,1	-	Без термообработки
ВЧ 50-2	38	2	180-260	3,2-3,6	1,9-2,2	0,5-0,8	0,1	0,02	0,1	-	То же
Перлитный чугун
ВЧ 60-2	40	2	220-280	3,2-3,6	1,9-2,2	0,5-0,8	0,1	0,02	0,1	-	Нормализация
ВЧ 70-3	40	3	229-275	3,2-3,6	2,6-2,9	0,6-0,9	0,1	0,02	0,1	-
ВЧ 80-3	50	2	220-300	3,2-3,6	2,6-2,8	0,6-0,9	0,1	0,02	0,1	-	Двойная нормализ.

Наиболее благоприятной матрицей нелегированного ВЧШГ является перлитная, характеризуемая меньшим износом и меньшим коэффициентом трения. Так, например, у перлитного чугуна (НВ ≈ 270) коэффициент трения при удельном давлении 14 кгс/см² составляет 0.63, при удельном давлении 25 кгс/см² – 0.52, а при перлитно-ферритной матрице (НВ ≈207) – соответственно 0.70 и 0.62.

В условиях сухого трения при возвратно-вращательном движении износостойкость ВЧШГ с перлитной структурой в два-три раза выше износостойкости закаленной стали. То же самое наблюдается при трении со смазкой и при абразивном изнашивании. Износостойкость можно ещё больше повысить за счет легирования Мо, Ni, Cu и другими элементами, способствующими измельчению перлита или образованию бейнитной структуры.

Преимуществом ВЧШГ перед сталью является меньшая плотность, а значит и меньшая масса, которая ещё более снижается в связи с тем, что из этого чугуна можно отливать более тонкостенные детали благодаря его более высокой жидкотекучести.

Под действием магния графит в процессе кристаллизации принимает не пластинчатую, а шаровидную форму. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу чугуна, чем пластинчатый графит. В отличие от пластинчатого чугуна он не является активным концентратором напряжений. Поэтому эти чугуны имеют высокие механические свойства, не уступающие литой углеродистой стали.

В настоящее время все более широкое распространение на заводах находит термическая обработка чугуна. Одной из особенностей термической обработки чугуна, в отличие от стали и цветных металлов, является необходимость более строгого учета структуры и механических свойств материала в исходном состоянии. При термической обработке чугунные детали необходимо нагревать и охлаждать с такой скоростью, которая гарантировала бы от образования наружных и внутренних трещин и деформаций. В изделиях большого сечения и сложной конфигурации особенно рекомендуется пониженная скорость нагрева и охлаждения. Опасной является повышенная скорость нагрева в температурной области упругого состояния. Для чугуна этот интервал находится при температурах от комнатной до 500⁰С. При более высоких температурах скорость нагрева может быть увеличена (см. табл. 2[2]).

Таблица 2 - Виды термической обработки деталей из высокопрочного чугуна

Термическая обработка	Режим обработки	Назначение термообработки	Область применения
Низкотемпературный отжиг	Медленный нагрев до 500⁰С, выдержка 2-3ч, охлаждение с печью до 200⁰С	Снятие внутренних напряжений (на 80-90%)	Отливки сложной конфигурации
Отжиг графитизирующий	Нагрев до 900-950⁰С, выдержка 2-5ч, охлаждение с печью	Улучшение обрабатываемости резанием	Отливки, имеющие в литом состоянии структурно свободный цементит
Нормализация и отпуск	Нагрев до 900-950⁰С, выдержка 2-5ч, охлаждение на воздухе. Отпуск: нагрев до 550-600⁰С, охлаждение с печью	Повышение предела прочности (на 40%) и износостойкости	Отливки, требующие повышенной прочности и износостойкости (например, коленчатые валы)
Закалка	Нагрев до 900⁰С, охлаждение в масле	Повышение твердости и износостойкости	Области применения ограничены в связи со склонностью к образованию термических трещин
Изотермическая закалка	Нагрев до 850-880⁰С, выдержка 30-45мин, перенос в ванну с температурой 300-350⁰С, выдержка 60мин	Значительное повышение предела прочности, увеличение износостойкости	Мелкие изделия простой конфигурации, работающие на интенсивном изнашивании
Поверхностная закалка с нагрева токами высокой частоты	Закалка с 950-1100⁰С в зависимости от структуры исходного чугуна	Повышение предела выносливости, резкое увеличение износостойкости	Высоконагруженные изделия, требующие повышенной износостойкости.

Очевидны преимущества чугуна с шаровидным графитом при замене стали 40ХЛ на высокопрочный чугун с шаровидным графитом в детали «балансир», являющейся важным узлом в механизме возвратно-поступательного движения станка.

Для обеспечения уменьшения инерционности механизма и обеспечения высокой работоспособности узла в части ликвидации износа пары «паз-палец» необходимо обеспечить повышение поверхностной твёрдости паза до 60 ед. HRC с упрочнением внутренней поверхности на глубину до 1,5 мм. Эта задача была реализована путем обработки детали методом ВКИН с помощью высокочастотной установки мощностью 63 кВт и частотой 440 кГц.

В качестве инструмента использовался двусторонний клювoобразный индуктор с концентраторами напряжений в виде ферритовых подковок, концентрирующих электромагнитные поле на активной части индуктора [3].

Индуктор устанавливался в манипулятор, обеспечивающий перемещение изогнутого паза детали вдоль рабочей активной части индуктора. Охлаждение обеспечивалось подводом охлаждающей жидкости в зону закалки с помощью специально разработанного спрейера. Деталь «балансир» (рис. 1) отливается из высокопрочного чугуна марки ВЧ60 (перлитный чугун с шаровидным графитом), твёрдость в состоянии поставки 220 единиц по Бринеллю. Для улучшения структуры перед высокочастотной закалкой для уменьшения зерна «балансир» был подвергнут нормализации, которая обеспечила измельчение зерна, повысила предел прочности и подготовила структуру для дальнейшей поверхностной закалки. Нормализация была проведена при температуре 920С^о в камерной печи типа Н85 с укладкой детали на поддоне нагревом- выдержкой в течение 180 минут. Отсчёт времени нагрева производился с момента нагрева печи до технологической температуры. После завершения процесса нагрева и выдержки детали выгружаются из печи и подвергаются охлаждению на воздухе. Для удаления окислов с поверхности детали проводится дробеструйная обработка с помощью стальной колотой дроби с фракцией 0,3….5,5 мм.

BALANSIR

Рисунок 1 - Балансир

Закалка проводилась на манипуляторе, обеспечивающим передвижение изогнутого паза детали вдоль активной части индуктора. Режимы установки: ток сетки 1.5А, анодный ток 8А.

В процессе высокочастотной закалки была достигнута глубина прогрева детали на глубину 1,3…1,8 мм; в поверхностном слое получена структура мартенсита закалки с твёрдостью 62…64 единицы. После завершения процесса закалки деталь балансир подвергался отпуску для снятия внутренних напряжений. Отпуск проводился при температуре 180 ⁰С в течение 120 минут.

В окончательно готовой детали была зачищена поверхность и произведен замер твёрдости. В результате проведенных термических операций была обеспечена твёрдость 60…62 ед. HRC с глубиной закалённого слоя до 1,4…1,7 мм.

Таким образом, применение комплексной технологии с заменой материала детали «балансир» со стали на высокопрочный чугун и упрочнение изнашиваемой поверхности методом высокочастотной закалки позволило резко (в несколько раз) увеличить ресурс работы узла механизма возвратно-поступательного движения, улучшило условия работы пары «балансир - направляющий палец», уменьшило вес, а, следовательно, и инерционность механизма, обеспечило высокую надёжность работы узла в условиях сухого трения.

Список использованных источников

1.Лахтин Ю.М.. Металловедение и термическая обработка металлов. – М.: Металлургия, 1983. – 447 с.

2.Полевой С.Н., Евдокимов В.Д. . Упрочнение машиностроительных материалов. – М.: Машиностроение, 1994. – 242 с.

3.Солоненко О.П., Алхимов А.П., Марусин В.В. и др. Высокоэнергетические процессы обработки материалов. – Новосибирск: Наука, 2000. – 425с.