CC BY
37
ггтггп г; гсшмлтггтгс /Ш7
- 1 (29), 2004 / IUf
ИТЕИНОЕ1 ПРОИЗВОДСТВО
77i^re are studied the peculiarities of structure formation at> crystallization expression using induction heat by currents with frequency 2400 and 8000 Hz of rod iron with diameter 16-40 mm from steels 35,40 and 40X. It is determined that single induction heat during 2-5 minutes provides required structure and solidity and reduction of the thermal cycle in comparison with furnace annealing (5-8 hours).
There is developed the technology and equipment for recrystallization annealing with heating of TVCh of rod rolled metal at production of fixing articles of automobiles with outside threaded profile. There are developed the regimes of thermotreatment with induction heat of rolled metal at moving of rod material with diameter from 12 to 28 mm and length 6 m through multiturn inductor with different speeds and parameters of heat. A
П. С. ГУРЧЕНКО, А. И. МИХЛЮК, РУП«МАЗ» лтт1„ ^ _ _ _ _
УДК 621.74.042:669.187.56
ВЛИЯНИЕ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА НА СТРУКТУРО-ОБРАЗОВАНИЕ ПРИ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННОМ ОТЖИГЕ КРУГЛОГО СТАЛЬНОГО ПРОКАТА
Получению высокопрочных крепежных изделий (класс прочности 8,8 и более) на промышленных предприятиях, в том числе и предприятиях автомобильной промышленности, в последнее время уделяется все большее внимание. Каждый случай поломки крепежных деталей из-за плохого качества металла или его некачественной термообработки, вызывая аварию или выход из строя автомобиля в целом, приводит к убыткам, в тысячи раз превышающим стоимость деталей. Это требует разработки новых технических решений по термообработке пруткового металла.
Анализ основных причин поломок крепежных изделий на автомобилях МАЗа в процессе эксплуатации позволяет разделить разрушения по виду и причинам, их вызывающим.
Наиболее часто встречается вязкое или хрупкое разрушение крепежных деталей. Причинами вязкого разрушения могут быть неправильный выбор размеров, марки стали, неправильно назначенная или некачественно выполненная термообработка. Обычно для болтов и шпилек предусматривают термообработку на твердость 26—32 НЯС. Для крепежа, испытывающего высокие и сложные напряжения в работе, применяют стали 40Х и 40ХН, термоупроч-ненные на твердость 32-40 НЯС. Хрупкое разрушение может быть следствием ошибок конструкции узла или нарушения технологии его изготовления, приводящим к возникновению изгибающих знакопеременных нагрузок, или следствием нарушения технологии термообработки (высокая твердость, перегрев при закалке). Иногда считают, что это является следствием отпускной хрупкости из-за отсутствия операции охлаждения болтов в воде после отпуска. Однако исследованиями, проведенными в 2002 г., установлено, что даже в самом неблагоприятном случае, когда охлаждение после
отпуска производили вместе с печью, отклонения по прочности болтов на разрыв и ударной вязкости при испытании на маятниковом копре составляли не более 10% по сравнению с болтами, охлажденными после отпуска в воде.
Следующий вид разрушения - отрыв головок болтов, изготовленных методом холодной высадки, который обычно происходит из-за образования под головкой при формообразовании наклепа (текстуры деформаций). Для устранения этого явления применяется рекристаллизационный отжиг после высадки.
Один из распространенных видов разрушений резьбовых соединений — смятие резьбы (при правильно выполненных ее геометрических размерах), которое происходит из-за наличия обе-зуглероженного слоя, образующегося в процессе прокатки металла и его последующей термообработки. Анализ проведенных при входном контроле испытаний и исследований с 2000 по 2002 г. позволяет сделать следующие выводы.
1. В состоянии поставки на прокате диаметром 9-30 мм в течение последних двух лет полностью обезуглероженный слой не обнаружен. Частичное обезуглероживание глубиной до 0,2 мм встречается от 41 до 52,5% партий проката.
2. Испытания на осадку выдержали в 2000 г. 32 и 48% образцов, а в 2001 г. - 76 и 72% образцов для групп 66 и 66Т соответственно при полном соответствии по твердости.
На рис. 1, я, б представлена микроструктура прутка из стали 40Х, используемого для изготовления крепежных изделий. В состоянии поставки это, как правило, ферритно-перлитная структура, с ферритом, ориентированным по границам зерен, иногда с элементами видманштетта. Для проведения дальнейшей обработки проката на заводе металл подвергают отжигу на структуру пластинчатого пер-
108
/ШТТгГ; IT ГС ^ШГГШ»
I 1 (29). 2004 -
лита с ферритом (рис. 1, в) либо структуру зернистого перлита (рис. 1, г) с последующим травлением в серной кислоте для устранения окалины. При этом в результате длительного
термического воздействия на металл как в газовых печах, так и электропечах неизбежно происходит увеличение имевшегося в состоянии поставки обезуглероженного слоя.
__та>Ш
а б в г
Рис. 1. Микроструктура металла, используемого для изготовления крепежных изделий: а - горячекатаная структура в состоянии поставки; б — горячекатаная структура с элементами видманштетта в состоянии поставки; в — после отжига на пластинчатый перлит; г — после отжига на зернистый перлит
На рис. 2, а показана микроструктура повер- фектом термообработки — полным обезуглерожи-хности отожженного металла с характерным де- ванием на глубину 0,1 мм.
а б
Рис. 2. Микроструктура металла с обезуглероженными слоями: а - на поверхности проката; б - на гребне резьбы болта
При накатке резьбовых поверхностей на металле с данным дефектом поверхности происходит концентрация обезуглероженного слоя на гребнях резьбы, так как в процессе накатки резьбы резь-бонакатными роликами формообразование профиля резьбы происходит за счет поверхностного слоя. При большой глубине обезуглероженный слой может распространяться практически на всю высоту резьбы, тем самым снижая ее прочностные свойства. Наличие дефектов резьбы в виде складок (рис. 2, 6) дополнительно ухудшает ее прочность.
С целью повышения качества резьбовых деталей автомобиля на Минском автозаводе коллективом специалистов были проведены опытно-исследовательские и экспериментальные работы по возможности применения нагрева ТВЧ для термообработки проката для изготовления болтов. Были исследованы зависимости скоростей нагрева на получаемую структуры и твердость для различных марок сталей, распределение твердости по сечению, влияние калибровки на структуры, величину зерна и распределение твердости. Также было изучено влияние ТВЧ на образование обез-углероженных слоев при различных скоростях и параметрах нагрева.
Для выполнения данной работы были спроектированы и изготовлены экспериментальные индукторы и приспособления. В качестве источника
нагрева использовали машинный преобразователь ВПЧ частотой 8000 Гц и мощностью 100 кВт. Отнимаемая при нагреве мощность составляла 40 — 100 кВт. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 3.
Через многовитковой индуктор 1 перемещается со скоростью 30 — 150 мм/с заготовка 2 длиной 6 м. Диаметр и размеры профиля витков индуктора подобраны таким образом, что на входе в индуктор происходит быстрый нагрев поверхности заготовки, а последующими витками индуктора производится поддержание необходимой температуры для равномерного прогрева заготовки по всему сечению с целью избежания перегрева поверхности. Скорость перемещения заготовки плавно регулируется в необходимых пределах. Нагрев осуществляли до температуры 780-860 °С. Контроль температуры производили пирометром 3 «ULTRAKYST 4027» (ФРГ). На
ПЗ СП ПЗПЗ ПЗ
d
CD щи cd cd cm
Рис. 3. Схема индукционного нагрева проката: 1 -2 — обрабатываемый пруток; 3 — пирометр; 4 -щее устройство
А А А ->
,м/м/ м/,
индуктор; душирую-
определенном расстоянии от индуктора расположено охлаждающее устройство 4 для ускоренного охлаждения прутка. Изменяя расстояние между индуктором и охлаждающим устройством, возможно регулировать структуру металла, формируемую термообработкой. Ускоренное охлаждение от высоких температур позволяет закаливать прокат на задававаемую твердость и структуру, ускоренное охлаждение до комнатной температуры от температур 400 °С и менее дает возможность получать структуру пластинчатого перлита с твердостью 180 - 210 НВ. На рис. 4 показаны графики нагрева различных точек прутка диаметром 18 мм по длине индуктора, рассчитанные методом компьютерного моделирования.
800
9 600
CD Q.
g_ 400
0'
100 200 300 400 500 Длина индуктора, мм
Рис. 4. График температуры нагрева по длине индуктора для различных точек: 1 — на поверхности прутка; 2 — на глубине 5 мм; 3 — на глубине 10 мм
Зависимость времени и скорости самопроизвольного охлаждения на воздухе до температур 400 °С и ниже от диаметра прутка показана на рис. 5.
Анализируя представленные зависимости распределения твердости по сечению прутка от скорости его движения через индуктор, можно сделать следующие выводы: при высоких скоростях движения пруток не прогревается по всему сечению и твердость в середине не падает (кривая 5), при малых скоростях (кривая 4) происходят перегрев поверхности прутка, рост зерна в перегретых слоях и при остывании поверхность подкаливается на воздухе, что также приводит к повышению ее твердости. При оптимальных значениях скорости (кривая 3) твердость равномерна по сечению прутка и соответствует печному обжигу (кривая 2). Для определения оптимальных
/тггттггс гг шШуЧРггхх та
- 1 (29). 2004/ lUv
Время, мин
Рис. 5. Изменение температуры остывания прутка диаметром 18 (7), 38 (2) и 60 (5) мм на воздухе после прохождения через индуктор
Скорость остывания прутков различного диаметра составляет от 60 0 С/мин для диаметра 60 мм до 25 °С/мин для диаметра 18 мм, что позволяет рассчитать расстояние, на котором следует располагать спрейер для ускоренного охлаждения прутка после прохождения через индуктор для получения необходимой структуры металла.
Экспериментально были определены максимально возможные скорости перемещения прутка различного диаметра через индуктор при обеспечении твердости по сечению, равнозначной с объемной печной обработкой. В табл. 1 приведены данные по производительности индукционной установки ИЗ-100/8 при обеспечении сквозного прогрева металла по всему сечению для индуктора длиной 400 мм и количеством витков 14.
На рис. 6 показано распределение твердости по сечению прутка диаметром 16 мм для сталей 40Х (рис. 6, а) и 35 (рис. 6, б) при различных скоростях движения прутка через индуктор при отжиге ТВЧ.
скоростей перемещения прутка через индуктор для различных диаметров была проведена серия опытов. Образцы прутков протягивали через индуктор с различной скоростью при постоянной мощности на индукторе и определяли производительность индуктора в кг/кВт. После этого измеряли твердость по сечению прутка и сравнивали с твердостью при печной обработке.
На рис. 7 показана зависимость производительности термообработки прутков из стали 40Х различного диаметра в индукторе длиной 400 мм, обеспечивающей после отжига ТВЧ твердость, равнозначную с печной. Индуктор был запитан от генераторов частотой 8000 и 2400 Гц.
Таблица 1. Технические параметры установки ТВЧ при отжиге проката
Диаметр прутка, мм Скорость перемещения прутка через индуктор, м/ч (мм/с) Отнимаемая мощность, кВт Производительность, кг/ч
12 472,9 (131) 40-50 420
14 338,8 (94,2) 65-70 410
18 190 (52,7) 80-85 380
20 141 (39,3) 95-100 350
Ш/ЛГГГГгГ:^ гс^шгггттс
/ 1 (29). 2004 -
250
- _ 6 8 6 4
6 8 6 4 2 0 Расстояние, мм
Расстояние, мм
а б
Рис. 6. Распределение твердости по сечению прутка диаметром 16 мм: а — для стали 40Х; б — для стали 35; 1 — в состоянии поставки; 2 — отжиг в печи; 3 — отжиг ТВЧ при скорости 64 мм/с; 4 — отжиг ТВЧ при скорости 40 мм/с; 5 — отжиг ТВЧ при
скорости 80 мм/с
I I
12 14 16 18 20 Диаметр прутка, мм Рис. 7. Зависимость производительности отжига прутков из стали 40Х: 1 — для частоты 8000 Гц; 2 — для частоты 2400 Гц
Была изготовлена опытная партия одного из наиболее нагруженных болтов в автомобиле — болта крепления цапфы колесной передачи к картеру заднего моста. Болт имеет резьбу М20х 1,5—611, класс прочности — 10,9, твердость — 31,0—40,5 НЯС, изготавливается из стали 40Х. Соединение цапфы с картером состоит из 12 указанных выше болтов, которые в процессе эксплуатации испытывают значительные динамические знакопеременные и статические нагрузки.
Были обработаны две партии болтов: по существующей и предлагаемой технологиям с заме-
рами геометрии резьбовой поверхности и проведением испытаний на класс прочности. По существующей технологии пруток проходит объемную термообработку в газовой печи при температуре 860 °С в течение 6 ч и последующую калибровку в размер 18,94 мм. Для болтов, изготовленных по серийной технологии, наблюдается увеличение частично обезуглероженного слоя от 0,1—0,15 мм на исходной структуре до 0,3-0,5 мм на конечном изделии. При обработке металла по предлагаемой технологии обезуглеро-женный слой не увеличивается. Отжиг ТВЧ прутка производили как до калибровки в размер 18,94 мм, так и после калибровки. На рис. 8 показаны структуры металла после отжига ТВЧ, после калибровки, после повторного отжига ТВЧ и профиль резьбы, получаемый накаткой на таком металле.
Следует отметить особенности структуры, получаемой после отжига ТВЧ калиброванного металла: перлит в стадии сфероидизации и феррит по границам мелкого зерна, балл № 9—10, ГОСТ 5639-82, причем, чем выше степень деформации при калибровке, тем ярче проявляется этот эффект измельчения структуры и процесса сфероидизации. Качество накатки резьбы благодаря мелкодисперстной структуре улучшается по сравнению с печной обработкой.
ГЯ-Пй*'«?
V/ Н V ..¿V %
а б в г
Рис. 8. Структура металла: а — после первого отжига ТВЧ; б — после калибровки; в — после повторного отжига ТВЧ; г —
профиль резьбы, получаемый накаткой из металла с отжигом ТВЧ
Таким образом, исследованы особенности структурообразования при рекристаллизационном отжиге с применением индукционного нагрева
током частотой 2400 и 8000 Гц для пруткового металла диаметром 16—40 мм из сталей 35, 40 и 40Х. Установлено, что однократный индукцион-
гшс: it I in
- 1 (29). 2004/ III
ный нагрев в течение 2—5 мин обеспечивает равнозначные с печным отжигом в течение 5-8 ч структуру и твердость по сечению, при повторном индукционном нагреве после холодной пластической деформации металла формируются структура зернистого перлита и перлита в стадии сфероидизации. При отжиге с нагревом ТВЧ образование окалины и обезуглероженного слоя не происходит.
Выводы
1. Операция отжига ТВЧ при термообработке пруткового проката для изготовления резьбовых изделий обеспечивает интенсификацию процес-
са, повышение качества термообработки, снижение трудоемкости по сравнению с традиционными способами термообработки.
2. Затраты электроэнергии при отжиге ТВЧ составляют 150—180 кВт на 1 т, что в 1,8— 2,1 раза меньше, чем при печной обработке.
3. Устраняется угар металла, образование окалины и обезуглероженного слоя на поверхности. Сокращается длительность травления.
4. Улучшаются условия труда, устраняются выбросы продуктов горения в окружающую среду, сокращается потребление кислоты для травления и выбросы ее отходов в окружающую атмосферу и сточные воды.
э
КСПРЕСС-1 ИНФОРМАЦИЯ»
ANKIR0S
ANNOFtP
