/ 77 3 (66), 2012 The magnetic pulse installation, intended for harden- ing of cylindrical steel articles by strong pulse electro- magnetic field, is developed and produced. Results of re- searches show high efficiency and prospects of the devel- oped method for hardening of steel articles. А. В. АлиФАноВ, А. В. АкулоВ, Ж. А. ПоПоВА, А. С. ДЕМянчик, ФТи нАн Беларуси УДК 621.983.044 Магнитно-иМпУлЬсная УпрочняЮЩая оБраБотка изделиЙ из констрУкционных и инстрУМенталЬных сталеЙ Учеными Физико-технического института На- циональной академии наук Беларуси и Баранович- ского государственного университета разработа- на новая технология повышения прочностных свойств стальных изделий как закаленных, так и незакаленных путем воздействия сильным им- пульсным электромагнитным полем. При таком воздействии устраняются дефекты в кристалличе- ской решетке, выравниваются внутренние напря- жения, измельчается и становится более однород- ной структура металла [1]. Преимуществом магнитно-импульсной обра- ботки по сравнению с известными методами упрочнения является то, что геометрические пара- метры и качество поверхности упрочненных изде- лий не меняются, не требуются дополнительная термообработка, финишные операции, сам про- цесс отличается низким энергопотреблением, вы- сокой производительностью, экологической чи- стотой. В ФТИ НАН Беларуси разработана и изготов- лена магнитно-импульсная установка (МИУ), предназначенная для упрочнения цилиндрических стальных изделий (как незакаленных, так и зака- ленных) сильным импульсным электромагнитным полем. На рис. 1 показан общий вид установки с за- крытой рабочей зоной, а на рис. 2 – цилиндриче- ский индуктор и упрочняемая деталь. В таблице даны технические характеристики разработанной МИУ. Характеристики МИУ Максимальная запасаемая энергия, кДж 6,8 Максимальная энергия импульса, кДж 6,8 Максимальное зарядное напряжение, кВ 5,5 Максимальное рабочее напряжение, кВ 4,5 Емкость накопителя, мкФ 450 Средняя выходная мощность зарядного устройства, не менее ВА 500 Мощность, потребляемая установкой от сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц, не более ВА 3000 Напряжение питающей сети, В 220 Частота питающей сети, Гц 50 Длина установки, мм 950 Ширина установки, мм 450 Высота установки, мм 1600 Масса установки, кг 400 Производительность импульсов/мин 1–2 Магнитно-импульсная обработка металлов ос- нована на взаимодействии импульсного магнитно- го поля с металлической заготовкой. Источником импульсного магнитного поля является индуктор, через который пропускается мощный импульс электрического тока. Рис. 1. Магнитно-импульсная установка для упрочняющей обработки стальных изделий 78 / 3 (66), 2012 Установка для магнитно-импульсной обработ- ки металлов представляет собой генератор им- пульсного тока, состоящий из емкостного накопи- теля электрической энергии (высоковольтной кон- денсаторной батареи), рабочего органа (индукто- ра) и коммутирующего устройства (высоковольт- ного управляемого разрядника). С помощью раз- рядника производится разряд конденсаторной ба- тареи на индуктор. В рабочей зоне индуктора импульсное магнит- ное поле наводит в находящейся в нем металличе- ской заготовке вихревые токи. В результате взаимодействия токов индуктора и заготовки возникают мощные механические уси- лия, оказывающие давление как на заготовку, так и на индуктор. Под действием давления повыша- ются прочностные характеристики заготовки. С помощью МИУ и цилиндрического индукто- ра можно подвергать упрочняющей обработке как цилиндрические, так и сферические изделия. Однако конструкция магнитно-импульсной установки предусматривает обработку единичных изделий. В случае обработки изделий сферической формы (шариков для шарикоподшипников) не- обходимо подавать каждый шарик поодиночке внутрь индуктора, обрабатывать его импульсом электромагнитного поля, затем извлекать обрабо- танный шарик и на его место подавать следующий. Такой процесс требует большого количества вре- мени. Для ускорения процесса упрочнения шари- ков разработано специальное автоматическое устройство, конструкция которого схематически представлена на рис. 3. Работает устройство следующим образом. Ша- рики, предназначенные для обработки (в данном случае стальные шарики диаметром 3/8 дюйма), загружаются в бункер 1, дно которого имеет кону- сообразную форму. В центре дна выполнено сквоз- ное отверстие для прохода шариков. Для устранения возможного застревания груп- пы шариков в районе отверстия снаружи около стенки бункера прикреплен вибратор 2, представ- ляющий собой прорезиненный стальной диск, экс- центрично расположенный на валу электродвига- теля. По изолирующей трубке 5 шарики под влия- нием собственной массы поступают во внутрен- нюю полость цилиндрического индуктора 4. Изо- лирующая трубка предохраняет шарики от сопри- косновения с внутренней поверхностью индуктора и придает обрабатываемой группе шариков (20 шт.) строго вертикальное положение вдоль оси индук- тора. С помощью электромагнитного толкателя 6 вы- ход шариков из индуктора 4 в процессе их обра- ботки импульсом или несколькими импульсами магнитного поля запирается дозатором 7. После окончания обработки дозатор толкателем 6 приво- дится в такое положение, когда его трубка совме- щается с изолирующей трубкой 5 и обработанные шарики высыпаются в емкость 8. Бункер 1, вибра- тор 2, корпус индуктора 4, электромагнитный тол- катель 6 и дозатор 7 крепятся к раме 3, которая крепится к боковой стенке магнитно-импульсной установки. Команды на электромагнитный толка- тель подаются по сигналам системы управления Рис. 2. Индуктор цилиндрический, установленный на рабо- чий стол МИУ: 1 –– упрочняемая деталь; 2 –– цилиндриче- ский индуктор Рис. 3. Схема автоматического устройства: 1 – бункер; 2 – вибратор; 3 – рама; 4 – индуктор; 5 – изолирующая трубка; 6 – электромагнитный толкатель; 7 – дозатор; 8 – емкость для обработанных шариков / 79 3 (66), 2012 синхронно перед началом обработки шариков им- пульсным магнитным полем (дозатор перекрывает нижнее отверстие в корпусе индуктора) и после обработки (дозатор открывает выход для разгруз- ки обрабатываемой партии шариков). Благодаря автоматизированной системе загруз- ки и выгрузки шариков магнитно-импульсной об- работке подвергаются одновременно 20 шариков, а не один шарик, как было бы при отсутствии это- го устройства, что значительно ускоряет процесс упрочняющей обработки. Установлено, что при магнитно-импульсном воздействии в стальных закаленных шариках диа- метром 3/8 дюйма (сталь ШХ15) происходят аус- тенитно-мартенситные превращения, в результате которых количество аустенита уменьшается с 8–10 до 4–6%, а также происходит измельчение зерен и образование карбидов. Эти структурно-фазовые преобразования способствуют повышению проч- ности шариков на 25–30%. Подробное описание исследований изложено в [1]. Способ упрочнения металлических закален- ных шариков магнитно-импульсным воздействием защищен патентом РБ [2]. В данной работе представлены результаты ис- следований влияния импульсного магнитного поля на структурно-фазовые превращения и прочност- ные характеристики изделий из конструкцион- ных и инструментальных сталей цилиндрической и плоской формы. Образцы из конструкционных сталей подвер- гали упрочняющей обработке в цилиндрическом индукторе, показанном на рис. 2. Для исследования были изготовлены цилин- дрические образцы диаметром 10 мм и высотой 10 мм из сталей 40Х и 70Г. Термообработке образ- цы не подвергали. Одну плоскость подвергали шлифованию, а затем полировали. В индуктор магнитно-импульсной установки одновременно закладывали по три образца из од- ной стали, которые подвергали обработке с опре- деленной энергией импульса и определенным ко- личеством импульсов. После магнитно-импульсной обработки образ- цы исследовали на электронном микроскопе «Neo- phot-32». На рис. 4 показана структура краевого участка образца из стали 40Х, не подвергавшегося упроч- няющей обработке магнитно-импульсным воздей- ствием. Никаких отличий по краю и в центре не наблюдается. На рис. 5 показан краевой участок образца из стали 40Х, обработанного магнитно-импульсным воздействием с мощностью импульса 6 кДж. На рисунке отчетливо виден упрочненный слой темного цвета, причем под воздействием с мощно- стью импульса 6 кДж он примерно в 1,5 раза тол- ще слоя, полученного под воздействием импульса 4 кДж. Слои носят текстурированный характер. Это говорит о том, что они получены за счет пла- стической деформации. Структура образцов носит перлитно-ферритный характер, при этом ближе к границе упрочненного слоя преобладает перлит- ная структура, а в направлении к центру начинает преобладать ферритная структура. На рис. 6 показан участок на краю образца из стали 40Х, упрочненного магнитно-импульсным воздействием с мощностью импульса 6 кДж и чис- лом импульсов 3. Средняя толщина слоя находит- ся в пределах 50 мкм. На фотографии отчетливо виден упрочненный слой более темного цвета на фоне неупрочненной части образца светлого цвета. В области упроч- ненного слоя и на некотором удалении от него были сделаны три укола индентором на компьюте- Рис. 4. Неупрочненный образец из стали 40Х. ×100 Рис. 5. Упрочненный слой образца из стали 40Х, обработан- ного магнитно-импульсным воздействием с мощностью им- пульса 6 кДж. ×250 80 / 3 (66), 2012 ризированном комплексе Duramin. Твердость упроч- ненного слоя (на границе обозначено цифрой 1) составила 4210 кгс/мм2. В отдалении от упрочненно- го слоя в точке 2 твердость составила 1910 кгс/мм2, а в точке 3 – 1530 кгс/мм2. Отношение микротвердости упрочненного слоя (точка 1) к микротвердости неупрочненного слоя (точка 3) составляет 2,75 раза. Интерес представ- ляет и точка 2, находящаяся на некотором удале- нии от четко различимой внутренней границы упрочненного слоя: микротвердость в этой точке превышает значение микротвердости в точке 3, на- ходящейся еще дальше от границы упрочненного слоя, в 1,25 раза. Следовательно, реальный упроч- ненный слой имеет толщину большую, чем видно на фотографии, что можно объяснить сложным механизмом упрочнения: путем упругопластиче- ской деформации (темный слой), а также карбидо- образованием, искажением кристаллической ре- шетки и т. д. На рис. 7, 8 показаны краевые участки образ- цов из стали 70Г после их обработки магнитно- импульсным воздействием. На рис. 7 показан упрочненный слой, получен- ный при мощности импульса 4 кДж, а на рис. 8 – при мощности импульса 6 кДж. Из рисунка видно, что упрочненный слой про- является не так четко, как на образцах из стали 40Х, тем не менее, толщина этого слоя больше, чем у образцов из стали 40Х, обработанных с энер- гией импульса как 4 кДж, так и 6 кДж. Средняя толщина слоя составляет 75 мкм. При увеличении мощности импульса до 6 кДж (рис. 8) упрочненный слой проявляется более чет- ко, его средняя толщина равна 100 мкм. В обоих случаях упрочненный слой на образцах из стали 70Г также носит деформационный характер. В качестве плоских изделий в данной работе выбраны плоские дереворежущие ножи, широко применяемые при фрезеровании и строгании раз- Рис. 6. Вид упрочненного слоя на образце из стали 40Х с от- печатками индентора. ×500 Рис. 7. Упрочненный слой образца из стали 70Г, обработан- ного магнитно-импульсным воздействием с мощностью им- пульса 4 кДж. ×250 Рис. 8. Упрочненный слой образца из стали 70Г, обработан- ного магнитно-импульсным воздействием с мощностью им- пульса 6 кДж. ×250 Рис. 9. Магнитно-импульсная установка для упрочнения стальных изделий / 81 3 (66), 2012 личных древесных материалов. Для упрочняющей обработки плоских ножей в ФТИ НАН Беларуси была разработана новая, более мощная магнитно- импульсная установка (рис. 9), оборудованная спе- циальным прочным столом с пазами типа «ласточ- кин хвост» для крепежных элементов, а также раз- работан и изготовлен специальный плоский ин- дуктор (рис. 10). Для упрочняющей обработки были выбраны дереворежущие ножи из стали 8ХФ, применяемые на УП «Мебельная фабрика «Лагуна» для обра- ботки изделий из твердых пород древесины (дуба, ясеня), и ножи из стали 8Х6НФТ, применяемые на ОАО «Ба рановичидрев» для обработки изделий из сосны. На рис. 11 показано, как комплект ножей УП «Ла гуна» устанавливается на верхнюю плоскую часть индуктора, а затем через изолирующую про- кладку с помощью специального приспособления прижимается к индуктору, а сам индуктор надеж- но прижимается к столу магнитно-импульсной установки (рис. 12). В ходе осуществления эксперимента проводили измерения микротвердости на упрочняемой поверх- ности ножей, обработанных при различных вели- чине энергии и количестве импульсов. Измерения проводили твердомером ПМТ-3 по общепринятой методике в соответствии с ГОСТ 9450-60. Сред- нее значение микротвердости образцов из стали 8Х6НФТ до обработки составляло 542 кгс/мм2, по- сле магнитно-импульсной обработки – 630 кгс/мм2, а для стали 8ХФ до обработки – 485 кгс/мм2, после магнитно-импульсной обработки – 580 кгс/мм2. Анализ представленных зависимостей показывает, что микротвердость обработанных образцов уве- личилась на 16–20 %. Для изучения структуры упрочненного слоя и измерения его толщины на боковых поверхно- стях дереворежущих ножей, подвергавшихся маг- нитно-импульсному упрочнению, были изготовле- ны шлифы. Место в шлифе для проведения прицельной металлографии помечалось тремя отпечатками ми- кротвердости, по которым можно идентифициро- вать определенное место в шлифе. Было проведе- но травление и фотографирование шлифа образ- цов в исходном состоянии и после магнитно-им- пульсной обработки. Изучение и фотографирование структур были выполнены на металлографическом микроскопе Neophot 32. На рис. 13, 14 показаны микроструктуры в об- ласти упрочненного слоя сталей 8Х6НФТ и 8ХФ соответственно, а на рис. 13, а, 14, а – структуры в исходном состоянии, на рис. 13, б, 14, б – после магнитно-импульсной обработки. На рис. 13, б, 14, б четко виден упрочненный слой как у образцов из стали 8Х6НФТ, так и из стали 8ХФ. Он выделяется мелкозернистостью и сильно выраженной текстурой, что характерно для деформированных слоев металла. Толщина Рис. 10. Специальный индуктор для упрочнения плоских стальных изделий Рис. 11. Установка ножей на плоский индуктор Рис. 12. Общий вид плоского индуктора с крепежным уст- рой ством 82 / 3 (66), 2012 и вид упрочненного слоя зависят от энергии и ко- личества импульсов. С уменьшением энергии в им- пульсе толщина слоя уменьшается и он имеет бо- лее ровный, однородный вид. С увеличением энер- гии толщина слоя также увеличивается и он при- обретает неоднородный по глубине характер. Измерения микротвердости по глубине образ- ца показали, что в упрочненном слое микротвер- дость имеет максимальную величину, а при пере- ходе через явно выраженную границу упрочнен- ного слоя микротвердость заметно уменьшается, но при этом превышает микротвердость основы. Для изучения влияния магнитно-импульсной обработки на прочностные показатели упрочнен- ных ножей были проведены их испытания в про- изводственных условиях. Для испытаний были вы- браны ножи с максимальной микротвердостью упрочненной поверхности: для стали 8Х6НФТ она достигалась при энергии 6 кДж и 3 импульсах, а для стали 8ХФ – при энергии 6 кДж и 4 импульсах. На ОАО «Барановичидрев» ножи, изготовлен- ные из стали 8Х6НФТ и упрочненные магнитно- импульсным воздействием, прошли опытно-про- мышленные испытания на четырехстороннем фре- зерном станке Ynamat на операции фрезерования брусков для оконных створок из древесного мате- риала «сосна клееная» в течение 2 мес. и показали стойкость, в 3 раза превышающую стойкость та- ких же ножей, использованных на этой операции, но не упрочненных магнитно-импульсным методом. Ножи, изготовленные из стали 8ХФ и упроч- ненные магнитно-импульсным воздействием, прошли опытно-промышленные испытания на УП «Мебельная фабрика «Лагуна» на фрезерном дере- вообрабатывающем станке ФШС1А на операции фрезерования плоскостей ножек стульев из твер- дых древесных пород «ясень» и «дуб». За период работы в течение 2 недель опытные ножи показа- ли стойкость, более чем в 1,5 раза превышающую стойкость таких же ножей, не упрочненных маг- нитно-импульсной обработкой (определялась стойкость ножей до их перезаточки). Кроме того, установлено, что качество обрабатываемых по- верхностей деталей улучшилось: снизилась шеро- ховатость, отсутствуют сколы и подрывы древеси- ны, также отмечена плавность хода ножей и обра- зование при обработке более мелкой (дробной) стружки, что в совокупности благоприятно сказы- вается на качестве изделия и снижает энергоем- кость процесса резания. После проведения производственных испыта- ний были исследованы режущие кромки ножей, не упрочненных и упрочненных магнитно-импульс- ным воздействием. Установлено, что режущие кромки упрочненных ножей практически не зату- пились, чем можно объяснить и приведенные выше положительные эффекты. Таким образом, результаты проведенных ис- следований показывают высокую эффективность и перспективность разработанного метода для упрочнения стальных изделий, изготовленных из конструкционных и высоколегированных инстру- ментальных сталей. В то же время установлено, что выбор режимов магнитно-импульсной обра- ботки зависит от состава и процентного содержа- ния легирующих элементов, углерода и других факторов, что требует проведения дальнейших ис- следований. Рис. 14. Микроструктура образцов из стали 8ХФ: а – в ис- ходном состоянии; б – после обработки магнитным полем. ×100 Рис. 13. Микроструктура образцов из стали 8Х6НФТ: а – в исходном состоянии; б – после обработки магнитным по- лем. ×100 Литература 1. А л и ф а н о в А. В., А н и с о в и ч А. Г., А м е л ь я н ч и к С. А., К р и в о н о с Ю. И. Магнитно-импульсная упроч- няющая обработка металлических изделий // Материалы 9-й Междунар. практ. конф. «Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки», 10–13 апреля 2007 г., СПб.: Изд-во политехн. ун-та, 2007. В 2-х ч. Ч. 1. 2. Способ упрочнения металлических закаленных шариков: пат. 11580 Респ. Беларусь / А. В. Алифанов, В. Н. Алехнович, А. А. Лях, Е. С. Амельянчик, Ю. И. Кривонос. Заявитель ФТИ НАН Беларуси; опубл. в бюллетене. 2009. № 1.