История и направления развития исследований и технологий индукционного нагрева в Беларуси

ISBN 978-985-08-1913-0

УДК 621.78.012.5(476)

Астапчик, С. А. История и направления развития исследований и технологий индукционного нагрева в Беларуси / С. А. Астапчик, П. С. Гурченко, А. А. Шипко. – Минск: Беларуская навука, 
2015. – 67 с. – ISBN 978­985­08­1913­0.

Показаны основные этапы внедрения технологий индукционного нагрева на минских тракторном и автомобильном заводах, других предприятиях 
республики начиная с 1940­х годов. С 1950­х годов научные основы нагрева 
сталей и сплавов токами высокой частоты разрабатывались в Физико­техническом институте Академии наук БССР, где была создана одна из главных 
научных школ СССР этого направления. Наиболее масштабное внедрение таких технологий велось в 80–90­е годы ХХ в. на Минском автозаводе, продолжается в настоящее время в Физико­техническом институте НАН Беларуси, 
где образован Научно­исследовательский центр индукционных технологий  
и проблем термической обработки. Названы фамилии многих крупных ученых и инженеров – энтузиастов скоростного нагрева деталей и полуфабрикатов из сталей, чугунов, цветных сплавов; приведены некоторые примеры эффективных отечественных разработок; сформулированы направления развития технологий индукционного нагрева.
Предназначена для ученых и инженеров, работающих в области технологий скоростного нагрева металлов и сплавов, а также для тех, кто интересуется историей развития таких технологий в Республике Беларусь.
Ил. 39. Библиогр.: 34 назв.

Р е ц е н з е н т ы:

доктор технических наук, академик А. П. Ласковнев,
доктор технических наук В. Л. Басинюк

© Астапчик С. А., Гурченко П. С.,  
Шипко А. А., 2015
© Оформление. РУП «Издательский 
дом «Беларуская навука», 2015

ВВЕДЕНИЕ

Оборудование и технологии нагрева деталей токами высо
кой частоты (под закалку, отпуск, обработку давлением, пайку) 
относятся к наиболее энергозатратному виду производства на 
предприятиях машиностроения – термическому. На заводах машиностроения Беларуси насчитывается около 2000 нагревательных и термических печей, их коэффициент полезного действия 
редко превышает 10%, а возраст «средней» печи составляет более 30 лет. Темп же ввода в эксплуатацию более современных 
печей составляет около 10 шт. в год. Вместе с тем индукцион ные 
технологии термической обработки и нагрева под обработку металлов давлением – эффективное средство модернизации термических производств.

Индукционный нагрев токами высокой частоты стальных 

и чугунных изделий с каждым годом занимает все более важ ное 
место в технологии современного машиностроения благодаря 
сво им неоспоримым преимуществам. При нагреве под ковку 
и штамповку решающие преимущества индукционного нагрева 
заключаются в возможности значительного повышения скоро сти 
нагрева и отсутствии длительного периода разогрева обо рудования (первые заготовки разогреваются до заданной температуры уже через 3–5 мин после включения оборудования без необходимости разогрева многотонной массы печей, так как нагреву 
подвергаются только сами обрабатываемые изделия). По этой же 
причине нет ограничений и потерь, связанных с жаропрочностью, жаростойкостью и теплопроводностью материалов нагревательных устройств. При индукционном нагреве благо даря 

высоким скоростям нагрева отсутствуют окалина и угар металла на обрабатываемых изделиях. 

Поверхностная закалка при индукционном нагреве более эко
номична и менее трудоемка и по качеству упрочнения не уступает, а в ряде случаев и превосходит процессы печной обработки. При закалке ТВЧ (токами высокой частоты) вместо цементации в сотни раз сокращается длительность процесса, резко 
уменьшаются термические деформации, трудоемкость и стоимость упрочнения, в десятки раз снижаются затраты электроэнергии, отпадает необходимость использования природного газа, минеральных масел, асбеста, жаропрочных и жароупорных 
материалов, устраняются выбросы в окружающую среду вредных веществ и продуктов их распада. Загрузка и выгрузка изделий в индукционных нагревателях автоматизируются, и они 
встра иваются в автоматизированные комплексы при высокой 
культуре производства.

Об истории развития технологий индукционного нагрева 

в нашей стране авторы уже рассказывали в статьях [1, 2] и в докладе на Международной научно­технической конференции 
«Со временные методы и технологии создания и обработки материалов» в Физико­техническом институте НАН Беларуси [3]. 
В настоящей работе мы постарались обобщить ранее опубликованные материалы, назвать имена замечательных людей – первопроходцев освоения индукционных технологий, рассказать 
о годах расцвета их деятельности в республике, привести хронологию развития исследований и разработок, сформулировать 
направления дальнейших работ.

МИНСКИЙ ТРАКТОРНЫЙ ЗАВОД – 
ПЕРВОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ БЕЛАРУСИ, 

ОСВОИВШЕЕ НАГРЕВ ТВЧ

Технологии индукционного нагрева на МТЗ, как, впрочем, 

и на МАЗе, во времена Советского Союза были освоены благодаря специалистам ВНИИ ТВЧ (Всесоюзного научно­исследовательского института токов высокой частоты). Уже во второй половине 1930­х годов В. П. Вологдиным, М. Г. Лозинским, Г. И. Бабатом создавались первые установки. Затем сразу после войны 
был создан Всесоюзный НИИ ТВЧ, который оказал серьезную 
помощь трактористам в освоении индукционных технологий 
(Н. П. Глуханов, А. Н. Шамов, С. Е. Рыскин, С. Н. Перовский, 
В. Г. Шевченко и др.). Во ВНИИ ТВЧ прошли обучение практически все специалисты службы ТВЧ МТЗ. Поэтому уже в 1946 г., 
когда готовилось производство трактора «Кировец Д­35», был предусмотрен нагрев ТВЧ деталей двигателя и для пайки резцов [1].

Первые закалочные станки на МТЗ заработали 65 лет назад, 

когда были закалены детали пускового двигателя, а в 1950 г. – 
создан участок ТВЧ. Организационных изменений было много, 
но наиболее крупным подразделением была БЛЭН – базовая лаборатория электронагрева, одна из 54, созданных в БССР по решению Совнархоза (1959 г.). В ней тогда работало 75 человек, из 
которых 45 – ИТР (инженерно­технические работники). Затем 
было существенное сокращение, но об этом ниже. Назовем некоторые вехи развития работ.

Хроника развития технологий индукционного нагрева на МТЗ:
1946 г. – под производство трактора «Кировец Д­35» предусмотрено применение ТВЧ для закалки деталей двигателя, коленвала, пайки резцов;

1948 г. – начало применения индукционного нагрева на Мин
ском тракторном заводе при закалке деталей пусковых двигателей, затем дизеля и деталей трактора;

1950 г. – создан участок ТВЧ, преобразованный затем в цех 

ТВЧ (1952 г.), отделение электронагрева (1954 г.), лабораторию 
электронагрева (1956 г.), базовую лабораторию электронагрева 
(1959 г.), проблемную лабораторию электронагрева (1976 г.), проектно­технологический отдел электронагрева ТВЧ (1988 г.); после 
существенного сокращения отдел вошел составной частью в общий термический отдел (1996 г.);

1950 г. – начало освоения поверхностной закалки газопла
менным нагревом шеек коленчатого вала дизеля Д­35;

1951 г. – нагреву ТВЧ подвергали ведущие звездочки, цилин
дры, валы, шлицевые втулки, вилки КПП (коробки перемены 
передач) трелевочного трактора КТ­12, производство которого 
было передано с ленинградского Кировского завода;

1952 г. – внедрение автоматических и полуавтоматических 

установок ТВЧ;

1954 г. – начало подготовки производства по применению 

индукционного нагрева в кузнечном производстве;

1956 г. – освоена ВЧ (высокочастотная) закалка распредвала 

и гильзы цилиндров;

1957 г. – получено первое авторское свидетельство на изо
бретение автоматического устройства для закалки колец тяги;

1959 г. – начало работ по созданию централизованной преобразовательной подстанции (мощность станка увеличена до 
250 кВт), первая разработка блока автоматического регулирования напряжения, проведены опыты по поверхностной закалке 
бортовых шестерен;

1960 г. – закалка ТВЧ деталей из легированных сталей со 

спрейерным охлаждением маслом, широкое внедрение нагрева 
ТВЧ в кузнице;

1965 г. – начало подготовки производства по термообработке 

деталей оборонной техники;

1966 г. – начало разработки технологии «чулочной» закалки 

задней полуоси трактора сложной формы;

1967 г. – начало использования индукционного нагрева под 
горячую резку дисковыми пилами (вместо резцов) вращающихся труб (в несколько раз повышена стойкость инструмента);
1974 г. – внедрение в производство установки для индукционного нагрева стержневой заготовки торсиона подвески сидения; 
под получение сферического набора металла на конце заготовки; 

1975 г. – термообработка дисков турбин дробеметных машин, звездочек конвейеров, тяговых конвейерных цепей и других деталей вспомогательного оборудования;
1979 г. – ВЧ закалка гнезд клапанов головок блока;
1984 г. – нагрев заготовки полуоси с последующей высадкой 

двух участков с одного нагрева;
1987 г. – создание тиристорного АРН (автоматического регулирования напряжения) МТЗ;
1990 г. – начало применения ЭВМ в делопроизводстве, а затем – в проектировании оснастки;
1993 г. – состоялась встреча ветеранов – энтузиастов индукционного нагрева Минского тракторного завода;
2005–2010 гг. – создание установки для термической обработки балки плуга (филиал МТЗ, г. Сморгонь).

Начиная с четырех простейших деталей в 1949 г., в 1990-е го
ды обрабатывались уже сотни наименований деталей в 20 цехах, а мощность оборудования достигала 20 тыс. кВт. Как видно 
из вышеприведенного, сначала это были шейки коленвала, звездочки, втулки, цилиндры, а позже – детали оборонной техники 
из легированных сталей, полуоси сложной формы, диски турбин 
дробеметных машин, конвейерные цепи и т.п. детали. В основном использовали машинные генераторы мощностью до 100 кВт 
и частотой 8 кГц. Поэтому уже в 1959 г. потребовалось создание 
централизованной преобразовательной подстанции, при этом 
мощность станка была увеличена до 250 кВт. Затем быстро появились ламповые генераторы частотой 66 кГц. 
Приведем примеры разработок Минского тракторного завода, предоставленные нам Л. С. Космовичем и В. С. Барановым.
Весьма удачной разработкой наших первопроходцев является блок автоматического регулирования напряжения [4] (рис. 1). 

Он был создан в 1987 г. на основе разработки инженера Я. Е. Доби са (1959 г.) и представляет собой тиристорный электронный 
регулятор, которым были укомплектованы все машинные генераторы (преобразовательные подстанции) ТВЧ МТЗ и автоматические регуляторы напряжения 
ВНИИ ТВЧ, выпускаемые впоследствии электротехнической 

промышленностью СССР. Он получил медаль ВДНХ и до настоящего времени применяется на машинных преобразователях 
МТЗ, заводе шестерен, МАЗе. Позволяет с точностью до 1% поддерживать напряжение на шиносборке преобразовательной подстанции. Документация передана 24 предприятиям и организациям. Применяется на большинстве машинных преобразователей МТЗ и других предприятий.

А вот следующая история просто уникальна. Сейчас это мо
жет вызвать улыбки, когда новейшие транзисторные генераторы 
имеют частоту до 70 кГц, а тогда… В 1958 г. В. С. Барановым, 
Л. С. Космовичем, Е. С. Лисковым были начаты эксперименты 
по закалке бортовых шестерен [5]. Завершены работы были 
в 1975 г. при содействии М. Н. Бодяко и С. А. Астапчика (рис. 2). 
Это был предварительный подогрев детали в шахтной печи, а затем в течение 5 с одновременный нагрев мощностью 1000 кВт на 
частоте 8 кГц всей зубчатой поверхности. Для этого и понадобилось параллельно включить 10 преобразователей по 100 кВт каждый. Правда, включать их можно было только по выходным, иначе останавливалось производство. Все получилось, твердость хорошая, результаты стендовых испытаний хорошие. Но цементация 
оказалась сильнее и процесс не пошел. Это ли сейчас главное. 
Главное – смелость и большое творческое желание осилить эту 
«неподъемную» деталь.

Следующая работа – снова удачная. Работы, начатые в 1966 г. 

В. С. Барановым, В. Ф. Волчком, Л. С. Космовичем и другими 
тракторозаводчанами, завершились внедрением [6].

Рис. 1. Блок автоматического регулирования напряжения АРН (МТЗ)

Это не совсем обычная непрерывно­последовательная «чу
лочная» закалка (рис. 3), при которой несколько спрейеров охватывают изделия с разными углами охвата (270°, 180° и 90°). Деталь, естественно, вращается. В процессе ее перемещения от 
спрейера к спрейеру импульсный цикл активного охлаждения 
уменьшается. В момент выхода изделия из первого спрейера его 
температура в течение 4 с повышалась до 370 °С. Далее в течение 4 с закаливаемый участок охлаждался во втором спрейере 
до температуры 180 °С, а по выходу из него в течение 8 с температура достигала 320 °С, далее этот участок попадает в третий 
спрейер, угол охвата которого составляет 90°. В нем поверхность изделия охлаждается до 120 °С. По мере дальнейшего перемещения закаленная область изделия входит в отпускной виток индуктора, который осуществляет ее подогрев до заданной 
температуры отпуска. 

Несмотря на сложную конфигурацию детали, включающей 

в себя шпоночный паз, рейку в виде зубчатой поверхности, концентрично оси детали выступающий упорный бурт подшипника 
и шлицевую поверхность, закалочных дефектов на поверхности 

                          а                                                          б

Рис. 2. Поверхностная закалка зубчатой поверхности бортовых шестерен: 

общий вид установки (а) и распределение твердости в сечении зуба в шестерне 

из стали 50ХГТР после поверхностной закалки (б)

детали после многократной закалки обнаружено не было. Надежность процесса проверялась десятикратной закалкой детали, 
изготовленной из стали 38ХГС, с завышенным содержанием углерода до 0,47% , после которой трещин обнаружено не было. 

Стендовые испытания полуоси, изготовленной из стали 40Х 

и термообработанной по новой технологии, показали 7­кратное 
увеличение усталостной прочности и ни разу не были доведены 
до поломки детали ввиду недостаточной прочности испытательного стенда. Лабораторией была спроектирована универсальная 
нагревательная станция, впоследствии нашедшая широкое применение не только на предприятиях и в институтах республики, 
но и на других предприятиях бывшего СССР. 

И вновь поисковая работа. Казалось, все получилось. Перед 

закалкой ТВЧ головка блока объемно нагревалась до 200 °С. Требуемая скорость охлаждения после нагрева обеспечила высокую 
твердость без образования трещин (рис. 4). Получено авторское 
свидетельство на изобретение. Но при производственных испы
Рис. 3. Схема спрейера для циклической закалки: 1, 2, 3 – спрейеры с углами 

охвата изделия 270°, 180° и 90° соответственно; 4 – закаливаемое изделие; 

5 – штуцер для подачи воды