Индукционная закалка стали

Индукционная закалка – применение, физический процесс, виды и способы закалки

В этой статье речь пойдет об индукционной закалке — одном из видов термической обработки металлов, обеспечивающем возможность протекания фазовых превращений, то есть превращение перлита в аустенит. Стальные детали, благодаря индукционной закалке, приобретают более высокие механические свойства, ибо качество стали значительно повышается вследствие такой обработки.

Итак, для термической обработки металлов, с целью их поверхностной закалки, применяют индукционный нагрев . Технология позволяет выбрать различную глубину закаленного слоя, к тому же процесс легко автоматизируется, поэтому данный метод относится к прогрессивным. Возможна закалка деталей различной формы.

Поверхностная индукционная закалка бывает двух видов: поверхностная и объемно-поверхностная.

Поверхностная закалка при поверхностном нагреве приводит к прогреванию детали до температуры закалки на глубину закаленного слоя, а сердцевина остается нетронутой. Время нагрева составляет от 1,5 до 20 секунд, скорость нагрева — от 30 до 300 °С за секунду.

Для объемно-поверхностной закалки характерен прогрев слоя большего, чем слой с мартенситной структурой, это глубинный нагрев. Сталь прокаливается на меньшую глубину, чем толщина нагретого слоя, что определяется прокаливаемостью стали.

В глубоких участках, глубже мартенситной структуры, которые прогреваются до температуры закалки, формируются упрочненные зоны со структурой сорбита или троостита закалки. Время закалки увеличивается до 20-100 секунд, скорость прогрева снижается до 2-10 °С за секунду по сравнению с поверхностной закалкой.

Объемно-поверхностной закалке подвергают тяжелонагнуженные оси, шестерни, крестовины и т. п. Главное отличие индукционного нагрева от других способов нагрева — выделение тепла непосредственно внутри объема детали.

Принципиально процесс происходит следующим образом. В индуктор, который питается переменным током, помещают закаливаемую деталь. Переменное магнитное поле наводит ЭДС в поверхностном слое детали, возникают вихревые токи, нагревающие деталь. Те участки, на которые действует переменное магнитное поле, нагреваются до высокой температуры.

Скорость нагрева высока, и имеется возможность для местного нагрева. Плотность тока больше у поверхности детали вследствие поверхностного эффекта, поэтому возможен нагрев лишь на требуемую глубину. Сердцевина нагревается незначительно. 87% мощности, передаваемой вихревыми токами детали, приходится на глубину проникновения.

Так как при разной температуре металла глубина проникновения тока различна, процесс протекает в несколько стадий. В первую очередь быстро прогревается поверхностный слой холодного металла, затем нагревается слой глубже, причем первый слой дальше не нагревается так быстро, затем прогревается третий слой.

В процессе нагрева каждого из слоев, скорость прогрева каждого слоя снижается с потерей соответствующим слоем магнитных свойств. То есть тепло распространяется в связи с изменением магнитных свойств металла от слоя к слою. Это активный нагрев током, он длится буквально секунды.

Индукционный нагрев, по распределению температуры в сечении детали, отличается от нагрева путем теплопроводности. В пределах нагретого слоя температура значительно выше, чем в центре, имеете место крутой перепад, поскольку в центральной части детали магнитные свойства еще не теряются в то время, как снаружи активный ток уже перегрел металл. Варьируя частоту тока и длительность нагрева, добиваются прогрева детали на необходимую глубину.

Конструкция индуктора, как правило, определяет качество закалки детали. Индуктор изготавливается из медных трубок, по которым пропускается вода с целью его охлаждения. Между индуктором и деталью выдерживается определенное расстояние, измеряемое единицами миллиметров, и одинаковое со всех сторон.

Закалку осуществляют различными путями, в зависимости от формы и размеров детали, а также от требований к закалке. Небольшие детали сначала нагревают, затем охлаждают. При душевом охлаждении, через отверстия в индукторе подается закалочная среда, например вода. Если деталь длинная, то индуктор перемещается в процессе закалки вдоль нее, а вода подается через душевые отверстия вслед за его движением. Это непрерывно-последовательный способ закалки.

При непрерывно-последовательной закалке индуктор движется со скоростью от 3 до 30 мм в секунду, и участки детали попадают поочередно в его магнитное поле. В итоге деталь последовательно, участок за участком, нагревается и охлаждается. Так можно закалить и отдельные части детали, если потребуется, например шейки коленвала или зубцы крупного зубчатого колеса. Средства автоматизации позволяют выставить деталь ровно и перемещать индуктор с высокой точностью.

В зависимости от марки стали и режима ее предварительной обработки, свойства после закалки получаются разными. Режимы индукционного нагрева, охлаждения и низкого отпуска также влияют на результаты.

В отличие от обычной закалки, индукционная закалка делает сталь более твердой 1-2 HRC, прочной, меньше снижается вязкость, повышается предел выносливости. Это связано с измельчением аустенитных зерен.

Высокая скорость нагрева приводит к росту центров перлито-аустенитного превращения. Начальное зерно аустенита получается мелким, роста не происходит из-за высокой скорости нагрева и отсутствия выдержки.

Кристаллы мартенсита получаются меньше. Зерно аустенита оказывается 12-15 баллов. При применении сталей мало склонных к росту аустенитных зерен, получается мелкое зерно. Детали обладающие малодисперсной исходной структурой получаются более качественными в итоге.

В результате распределения остаточных напряжений повышается предел выносливости. Остаточные напряжения сжатия присутствуют в закаленном слое, а напряжения растяжения — за его пределами. Усталостные разрушения связаны с растягивающими напряжениями. Напряжения сжатия будут ослаблять разрушительные растягивающие под действием внешних сил при работе детали. Вот почему в результате индукционной закалки повышается предел выносливости.

Определяющее значение при индукционной закалке имеют: скорость нагрева, скорость охлаждения, режим низкотемпературного отпуска.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Поверхностная закалка ТВЧ

Закалка сталей токами высокой частоты (ТВЧ) — это один из распространенных методов поверхностной термической обработки, который позволяет повысить твердость поверхности заготовок. Применяется для деталей из углеродистых и конструкционных сталей или чугуна. Индукционная закалка ТВЧ являет собой один из самых экономичных и технологичных способов упрочнения. Она дает возможность закалить всю поверхность детали или отдельные ее элементы или зоны, которые испытывают основную нагрузку.

Читайте также:
Как брашировать дерево своими руками

При этом под закаленной твердой наружной поверхностью заготовки остаются незакаленные вязкие слои металла. Такая структура уменьшает хрупкость, повышает стойкость и надежность всего изделия, а также снижает энергозатраты на нагрев всей детали.

Технология высокочастотной закалки

Поверхностная закалка ТВЧ — это процесс термообработки для повышения прочностных характеристик и твердости заготовки.

Основные этапы поверхностной закалки ТВЧ — индукционный нагрев до высокой температуры, выдержка при ней, затем быстрое охлаждение. Нагревание при закалке ТВЧ производят с помощью специальной индукционной установки. Охлаждение осуществляют в ванне с охлаждающей жидкостью (водой, маслом или эмульсией) либо разбрызгиванием ее на деталь из специальных душирующих установок.

Выбор температуры

Для правильного прохождения процесса закалки очень важен правильный подбор температуры, которая зависит от используемого материала.

Стали по содержанию углерода подразделяются на доэвтектоидные — меньше 0,8% и заэвтектоидные — больше 0,8%. Сталь с углеродом меньше 0,4% не закаливают из-за получаемой низкой твердости. Доэвтектоидные стали нагревают немного выше температуры фазового превращения перлита и феррита в аустенит. Это происходит в интервале 800—850°С. Затем заготовку быстро охлаждают. При резком остывании аустенит превращается в мартенсит, который обладает высокой твердостью и прочностью. Малое время выдержки позволяет получить мелкозернистый аустенит и мелкоигольчатый мартенсит, зерна не успевают вырасти и остаются маленькими. Такая структура стали обладает высокой твердостью и одновременно низкой хрупкостью.

Заэвтектоидные стали нагревают чуть ниже, чем доэвтектоидные, до температуры 750—800°С, то есть производят неполную закалку. Это связано с тем, что при нагреве до этой температуры кроме образования аустенита в расплаве металла остается нерастворенным небольшое количество цементита, обладающего твердостью высшей, чем у мартенсита. После резкого охлаждения аустенит превращается в мартенсит, а цементит остается в виде мелких включений. Также в этой зоне не успевший полностью раствориться углерод образует твердые карбиды.

В переходной зоне при закалке ТВЧ температура близка к переходной, образуется аустенит с остатками феррита. Но, так как переходная зона не остывает так быстро, как поверхность, а остывает медленно, как при нормализации. При этом в этой зоне происходит улучшение структуры, она становится мелкозернистой и равномерной.

Перегревание поверхности заготовки способствует росту кристаллов аустенита, что губительно сказывается на хрупкости. Недогрев не дает полностью феррито-перритной структуре перейти в аустенит, и могут образоваться незакаленные пятна.

После охлаждения на поверхности металла остаются высокие сжимающие напряжения, которые повышают эксплуатационные свойства детали. Внутренние напряжения между поверхностным слоем и серединой необходимо устранить. Это делается с помощью низкотемпературного отпуска — выдержкой при температуре около 200°С в печи. Чтобы избежать появления на поверхности микротрещин, нужно свести к минимуму время между закалкой и отпуском.

Также можно проводить так называемый самоотпуск — охлаждать деталь не полностью, а до температуры 200°С, при этом в ее сердцевине будет оставаться тепло. Дальше деталь должна остывать медленно. Так произойдет выравнивание внутренних напряжений.

Индукционная установка

Индукционная установка для термообработки ТВЧ представляет собой высокочастотный генератор и индуктор для закалки ТВЧ. Закаливаемая деталь может располагаться в индукторе или возле него. Индуктор изготовлен в виде катушки, на ней навита медная трубка. Он может иметь любую форму в зависимости от формы и размеров детали. При прохождении переменного тока через индуктор в нем появляется переменное электромагнитное поле, проходящее через деталь. Это электромагнитное поле вызывает возникновение в заготовке вихревых токов, известных как токи Фуко. Такие вихревые токи, проходя в слоях металла, нагревают его до высокой температуры.

Индукционный нагреватель ТВЧ

Отличительной чертой индукционного нагрева с помощью ТВЧ является прохождение вихревых токов на поверхности нагреваемой детали. Так нагревается только наружный слой металла, причем, чем выше частота тока, тем меньше глубина прогрева, и, соответственно, глубина закалки ТВЧ. Это дает возможность закалить только поверхность заготовки, оставив внутренний слой мягким и вязким во избежание излишней хрупкости. Причем можно регулировать глубину закаленного слоя, изменяя параметры тока.

Повышенная частота тока позволяет сконцентрировать большое количество тепла в малой зоне, что повышает скорость нагревания до нескольких сотен градусов в секунду. Такая высокая скорость нагрева передвигает фазовый переход в зону более высокой температуры. При этом твердость возрастает на 2—4 единицы, до 58—62 HRC, чего невозможно добиться при объемной закалке.

Для правильного протекания процесса закалки ТВЧ необходимо следить за тем, чтобы сохранялся одинаковый просвет между индуктором и заготовкой на всей поверхности закаливания, необходимо исключить взаимные прикосновения. Это обеспечивается при возможности вращением заготовки в центрах, что позволяет обеспечить равномерное нагревание, и, как следствие, одинаковую структуру и твердость поверхности закаленной заготовки.

Индуктор для закалки ТВЧ имеет несколько вариантов исполнения:

  • одно- или многовитковой кольцевой — для нагрева наружной или внутренней поверхности деталей в форме тел вращения — валов, колес или отверстий в них;
  • петлевой — для нагрева рабочей плоскости изделия, например, поверхности станины или рабочей кромки инструмента;
  • фасонный — для нагрева деталей сложной или неправильной формы, например, зубьев зубчатых колес.

В зависимости от формы, размеров и глубины слоя закаливания используют такие режимы закалки ТВЧ:

  • одновременная — нагревается сразу вся поверхность заготовки или определенная зона, затем также одновременно охлаждается;
  • непрерывно-последовательная — нагревается одна зона детали, затем при смещении индуктора или детали нагревается другая зона, в то время как предыдущая охлаждается.

Одновременный нагрев ТВЧ всей поверхности требует больших затрат мощности, поэтому его выгоднее использовать для закалки мелких деталей — валки, втулки, пальцы, а также элементов детали — отверстий, шеек и т.д. После нагревания деталь полностью опускают в бак с охлаждающей жидкостью или поливают струей воды.

Читайте также:
Изготовление корпусной мебели своими руками

Непрерывно-последовательная закалка ТВЧ позволяет закалять крупногабаритные детали, например, венцы зубчатых колес, так как при этом процессе происходит нагрев малой зоны детали, для чего нужна меньшая мощность генератора ТВЧ.

Охлаждение детали

Охлаждение — второй важный этап процесса закалки, от его скорости и равномерности зависит качество и твердость всей поверхности. Охлаждение происходит в баках с охлаждающей жидкостью или разбрызгиванием. Для качественной закалки необходимо поддерживать стабильную температуру охлаждающей жидкости, не допускать ее перегрева. Отверстия в спрейере должны быть одинакового диаметра и расположены равномерно, так достигается одинаковая структура металла на поверхности.

Чтобы индуктор не перегревался в процессе работы, по медной трубке постоянно циркулирует вода. Некоторые индукторы выполняются совмещенными с системой охлаждения заготовки. В трубке индуктора прорезаны отверстия, через которые холодная вода попадает на горячую деталь и остужает ее.

Закалка токами высокой частоты

Достоинства и недостатки

Закалка деталей с помощью ТВЧ обладает как достоинствами, так и недостатками. К достоинствам можно отнести следующее:

  • После закалки ТВЧ у детали сохраняется мягкой середина, что существенно повышает ее сопротивление пластической деформации.
  • Экономичность процесса закалки деталей ТВЧ связана с тем, что нагревается только поверхность или зона, которую необходимо закалить, а не вся деталь.
  • При серийном производстве деталей необходимо настроить процесс и далее он будет автоматически повторяться, обеспечивая необходимое качество закалки.
  • Возможность точно рассчитать и регулировать глубину закаленного слоя.
  • Непрерывно-последовательный метод закалки позволяет использовать оборудование малой мощности.
  • Малое время нагрева и выдержки при высокой температуре способствует отсутствию окисления обезуглероживания верхнего слоя и образования окалины на поверхности детали.
  • Быстрый нагрев и охлаждение не дают большого коробления и поводок, что позволяет уменьшить припуск на чистовую обработку.

Но индукционные установки экономически целесообразно применять только при серийном производстве, а для единичного производства покупка или изготовление индуктора невыгодно. Для некоторых деталей сложной формы производство индукционной установки очень сложно или невозможно получить равномерность закаленного слоя. В таких случаях применяют другие виды поверхностных закалок, например, газопламенную или объемную закалку.

Индукционная закалка стали

Индукционный нагрев происходит в результате размещения обрабатываемой детали вблизи проводника переменного электрического тока, который называется индуктором. При прохождении по индуктору тока высокой частоты (ТВЧ) создаётся электромагнитное поле и, если в этом поле располагается металлическое изделие, то в нем возбуждается электродвижущая сила, которая вызывает прохождение по изделию переменного тока такой же частоты, как и ток индуктора.


Таким образом наводится тепловое воздействие, которое вызывает разогрев изделия. Тепловая мощность Р, выделяемая в нагреваемой детали, будет равна:

где К – коэффициент, зависящий от конфигурации изделия и величины зазора, образующегося между поверхностями изделия и индуктора; Iин — сила тока; f – частота тока (Гц); r – удельное электрическое сопротивление (Ом·см); m – магнитная проницаемость (Г/Э) стали.

На процесс индукционного нагрева существенное влияние оказывает физическое явление, называемое поверхностным (скин) эффектом: ток индуцируется преимущественно в поверхностных слоях, и при высоких частотах плотность тока в сердцевине детали мала. Глубина нагреваемого слоя оценивается по формуле:

Повышение частоты тока позволяет концентрировать в небольшом объёме нагреваемой детали значительную мощность. Благодаря этому реализуется высокоскоростной (до 500 С/сек) нагрев.

Параметры индукционного нагрева

Индукционный нагрев характеризуется тремя параметрами: удельной мощностью, продолжительностью нагрева и частотой тока. Удельная мощность — это мощность переходящая в теплоту на 1 см2 поверхности нагреваемого металла (кВт/см2). От величины удельной мощности зависит скорость нагрева изделия: чем она больше, тем быстрее осуществляется нагрев.

Продолжительность нагрева определяет общее количество передаваемой тепловой энергии, а соответственно и достигаемую температуру. Также важно учитывать частоту тока, так как от нее зависит глубина закаленного слоя. Частота тока и глубина нагреваемого слоя находятся в противоположной зависимости (вторая формула). Чем выше частота, тем меньше нагреваемый объем металла. Выбирая величину удельной мощности, продолжительность нагрева и частоту тока, можно в широких пределах изменять конечные параметры индукционного нагрева — твердость и глубину закаленного слоя при закалке или нагреваемый объем при нагреве под штамповку.

На практике контролируемыми параметрами нагрева, являются электрические параметры генератора тока (мощность, сила тока, напряжение) и продолжительность нагрева. При помощи пирометров также может фиксироваться температура нагрева металла. Но чаще не возникает необходимости в постоянном контроле температуры, так как подбирается оптимальный режим нагрева, который обеспечивает постоянное качество закалки или нагрева ТВЧ. Оптимальный режим закалки подбирается изменением электрических параметров. Таким образом осуществляют закалку нескольких деталей. Далее детали подвергаются лабораторному анализу с фиксированием твёрдости, микроструктуры, распределения закалённого слоя по глубине и плоскости. При недогреве в структуре доэвтектоидных сталей наблюдается остаточный феррит; при перегреве возникает крупноигольчатый мартенсит. Признаки брака при нагреве ТВЧ такие же, как и при классических технологиях термообработки.

При поверхностной закалке ТВЧ нагрев проводится до более высокой температуры, чем при обычной объемной закалке. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, при очень большой скорости нагрева температуры критических точек, при которых происходит переход перлита в аустенит, повышаются, а во-вторых, нужно, чтобы это превращение успело завершиться за очень короткое время нагрева и выдержки.

Несмотря на то, что нагрев при высокочастотной закалке проводится до более высокой температуры, чем при обычной, перегрева металла не происходит. Так происходит из-за того, что зерно в стали попросту не успевает вырасти за очень короткий промежуток времени. При этом также стоит отметить, что по сравнению с объемной закалкой, твердость после закалки ТВЧ получается выше примерно на 2— 3 единицы HRC. Это обеспечивает более высокую износостойкость и твердость поверхности детали.

Преимущества закалки токами высокой частоты

  • высокая производительность процесса
  • легкость регулирования толщины закаленного слоя
  • минимальное коробление
  • почти полное отсутствие окалины
  • возможность полной автоматизации всего процесса
  • возможность размещения закалочной установки в потоке механической обработки.
Читайте также:
Изделия из отходов металла

Наиболее часто поверхностной высокочастотной закалке подвергают детали, изготовленные из углеродистой стали с содержанием 0,4—0,5% С. Эти стали после закалки имеют поверхностную твердость HRC 55—60. При более высоком содержании углерода возникает опасность появления трещин из-за резкого охлаждения. Наряду с углеродистыми применяются также низколегированные хромистые, хромоникелевые, хромокремнистые и другие стали.

Индукционный нагрев применение в производстве

Как уже можно было понять из описанного выше, применяется индукционный нагрев в производстве довольно активно. На сегодняшний день индукционное оборудование успело занять лидирующее позиции, вытеснив конкурирующие способы обработки металлов на второй план.

Индукционная плавка металлов

Применяется индукционный нагрев для осуществления плавильных работ. Активное использование индукционных печей началось благодаря тому, что нагрев ТВЧ способен уникально обрабатывать все виды металлов, существующие на сегодняшний день. Плавильная индукционная печь быстро осуществляет плавку металла. Температуры нагрева установки достаточно даже для плавки самых притязательных металлов. Главное преимущество индукционных плавильных печей заключается в том, что они способны производить чистую плавку металла с минимальным шлакообразованием. Работа выполняется за короткий промежуток времени. Как правило, время выплавки 100 килограмм металла равняется 45-и минутам.

Закалка ТВЧ (токами высокой частоты)

Закалка производится чаще всего в отношении изделий из стали, но может быть применена и к медным и другим металлическим изделиям. Принято различать два вида закалки ТВЧ поверхностная и глубокая, или объемная закалка. Главное достоинство, которым обладает индукционный нагрев по отношению к закалочным работам – это возможность проникновения тепла на глубину (глубокая закалка). На сегодняшний день закалка ТВЧ стала довольно часто производиться именно в индукционном оборудовании. Индукционный нагрев позволяет не просто произвести закалку ТВЧ, но дает в конечном результате изделие, которое будет обладать отменным качеством. При использовании индукционного нагрева в целях осуществления закалочных работ количество брака в производстве существенно снижается.

Пайка ТВЧ

Индукционный нагрев полезен не только для обработки металла, но и для соединения одной части изделия с другой. На сегодняшний день пайка ТВЧ стала довольно популярной и смогла вытеснить сварку на второй план. Где только появляется возможность заменить сварку пайкой, производители делают это. Чем именно вызвано такое желание? Все предельно просто. Пайка ТВЧ дает возможность получить целостное изделие, которое будет обладать высокой прочностью. Пайка ТВЧ получается целостной за счет прямого (бесконтактного) проникновения тепла в изделие. Для нагрева металла не требуется стороннее вмешательства в его структуру, что положительно сказывается на качестве готового изделия и на его сроке эксплуатации.

Термообработка сварных швов

Термообработка сварных швов – это еще один важный технологичный процесс, с которым отлично справится индукционный нагреватель. Термообработка осуществляется для того, чтобы придать изделию повышенную прочность и разгладить напряжение металла, которое, как правило, образуется в местах соединений. Термообработка при помощи индукционного нагрева производится в три этапа. Каждый из них очень важен, ведь если упустить что-то, то впоследствии качество изделия станет другим и его срок эксплуатации снизится. Индукционный нагрев положительно сказывается на металле, позволяя равномерно проникать на заданную глубину и разглаживать напряжение, образовавшееся во время произведения сварочных работ.

Ковка, пластика, деформация

Кузнечный нагреватель – это один из видов установок, в основе которых лежит индукционный нагрев. Используют кузнечный нагреватель для произведения деформации металла, а также в целях штамповки и т.п. Индукционный нагрев равномерно прогревает металл, позволяет изогнуть его в нужных местах и придать изделию необходимую форму. На сегодняшний день все больше предприятий стали использовать кузнечный нагреватель в целях штамповки и пластики изделий. Индукционный нагрев способен справиться со всеми необходимыми операциями тепловой обработки металла, но чаще всего применяется в тех случаях, которые были описаны выше.

Оборудование для выполнения индукционной закалки (ТВЧ)

Индукционная закалка требует специального технологического оборудования, которое включает три основных узла: источник питания — генератор токов высокой частоты, индуктор и устройство для перемещения деталей в станке.

Генератор токов высокой частоты это электрические машины, различающиеся по физическим принципам формирования в них электрического тока.

  1. Электронные устройства, работающие по принципу электронных ламп, преобразующих постоянный ток в переменный ток повышенной частоты – ламповые генераторы.
  2. Электромашинные устройства, работающие по принципу наведения электрического тока в проводнике, перемещающихся в магнитном поле, преобразующие трехфазный ток промышленной частоты в переменный ток повышенной частоты – машинные генераторы.
  3. Полупроводниковые устройства, работающие по принципу тиристорных приборов, преобразующих постоянный ток в переменный ток повышенной частоты – тиристорные преобразователи (статические генераторы).

Генераторы всех видов различаются по частоте и мощности генерируемого тока

Виды генераторов Мощность, кВт Частота, кГц КПД

Закалка стали

Отпуск и старение металла

Часто путём закалки повышается не только твёрдость металла, но и его хрупкость, поэтому необходимо выполнять ещё один этап — отпуск, при котором прочность и твёрдость несколько снижаются, но материал становится более пластичным. Делают отпуск при температуре, ниже, чем в предыдущем процессе, и охлаждают металл постепенно.

Можно проводить закалку без изменения структуры металла (полиморфного превращения). В этом случае не возникнет проблем с хрупкостью, но необходимая твёрдость не будет достигнута. А повысить её удастся путём ещё одного процесса термообработки, называемого старением. При старении происходит распад пересыщенного твёрдого раствора, в результате которого увеличивается прочность и твёрдость материала.

Отпуск стали — это разновидность термообработки, используемая для деталей, закалённых до критической точки, при которой происходит полиморфное изменение кристаллической решётки. Он заключается в выдерживании металла определённый промежуток времени в нагретом состоянии и медленном охлаждении на открытом воздухе. Делают отпуск, чтобы снизить внутреннее напряжение, а также исключить хрупкость металла и увеличить его пластичность.

При помощи старения достигается необходимая твёрдость закалённой стали. Старение может быть:

  • естественным, при котором самопроизвольно повышается прочность закалённого металла и снижается его пластичность. Происходит данный процесс при выдержке в естественной среде;
  • термическим. Такое старение — это процесс повышения твёрдости металла посредством выдержки при высоких температурах. По сравнению с первым видом, в данном случае может произойти перестаривание — это когда твёрдость, пределы прочности и текучести, достигая максимальной величины, начинают снижаться;
  • деформационным. Такое старение достигается при помощи пластической деформации закалённого сплава, имеющего структуру пересыщенного твёрдого раствора.
Читайте также:
Изготовление строительных блоков своими руками

Описание метода закалки ТВЧ

Нагрев токами ВЧ основан на явлении, при котором вследствие прохождения переменного высокочастотного тока по индуктору (спиральный элемент, выполненный из медных трубок) вокруг него формируется магнитное поле, создающее в металлической детали вихревые токи, которые и вызывают нагрев закаливаемого изделия. Находясь исключительно на поверхности детали, они позволяют нагреть ее на определенную регулируемую глубину.

Закалка ТВЧ металлических поверхностей имеет отличие от стандартной полной закалки, которое заключается в повышенной температуре нагрева. Это объясняется двумя факторами. Первый из них – при высокой скорости нагрева (когда перлит переходит в аустенит) уровень температуры критических точек повышается. А второй – чем быстрее проходит переход температур, тем быстрее совершается превращение металлической поверхности, ведь оно должно произойти за минимальное время.

Стоит сказать, несмотря на то, что при использовании высокочастотной закалки вызывается нагрев больше обычного, перегрева металла не случается. Такое явление объясняется тем, что зерно в стальной детали не успевает увеличиться, благодаря минимальному времени высокочастотного нагрева. К тому же, из-за того, что уровень нагрева выше и охлаждение интенсивнее, твердость заготовки после ее закалки ТВЧ вырастает приблизительно на 2-3 HRC. А это гарантирует высочайшую прочность и надежность поверхности детали.

Вместе с тем, есть дополнительный немаловажный фактор, который обеспечивает повышение износостойкости деталей при эксплуатации. Благодаря созданию мартенситной структуры, на верхней части детали образовываются сжимающие напряжения. Действие таких напряжений проявляется в высшей мере при небольшой глубине закаленного слоя.

Применяемые для закалки ТВЧ установки, материалы и вспомогательные средства

Полностью автоматический комплекс высокочастотной закалки включает в себя закалочный станок и ТВЧ установки (крепежные системы механического типа, узлы поворота детали вокруг своей оси, движения индуктора по направлению заготовки, насосов, подающих и откачивающих жидкость или газ для охлаждения, электромагнитных клапанов переключения рабочих жидкостей или газов (вода/эмульсия/газ)).

ТВЧ станок позволяет перемещать индуктор по всей высоте заготовки, а также вращать заготовку на разных уровнях скорости, регулировать выходной ток на индукторе, а это дает возможность выбрать правильный режим процесса закалки и получить равномерно твердую поверхность заготовки.

Принципиальная схема индукционной установки ТВЧ для самостоятельной сборки была приведена в предыдущей статье.

Индукционную высокочастотную закалку можно охарактеризовать двумя основными параметрами: степенью твердости и глубиной закалки поверхности. Технические параметры выпускаемых на производстве индукционных установок определяются мощностью и частотой работы. Для создания закаленного слоя применяют индукционные нагревающие устройства мощностью 40-300 кВА при показателях частоты в 20-40 килогерц либо 40-70 килогерц. Если необходимо провести закалку слоев, которые находятся глубже, стоит применять показатели частот от 6 до 20 килогерц.

Диапазон частот выбирается, исходя из номенклатуры марок стали, а также уровня глубины закаленной поверхности изделия. Существует огромный ассортимент комплектаций индукционных установок, что помогает выбрать рациональный вариант для конкретного технологического процесса.

Технические параметры автоматических станков для закалки определяются габаритными размерами используемых деталей для закалки по высоте (от 50 до 250 сантиметров), по диаметру (от 1 до 50 сантиметров) и массе (до 0,5 т, до 1т, до 2т). Комплексы для закалки, высота которых составляет 1500 мм и больше, оснащены электронно-механической системой зажима детали с определенным усилием.

Высокочастотная закалка деталей осуществляется в двух режимах. В первом каждое устройство индивидуально подключается оператором, а во втором – происходит без его вмешательств. В качестве среды закалки обычно выбирают воду, инертные газы или полимерные составы, обладающие свойствами по теплопроводности, близкими к маслу. Среда закалки выбирается в зависимости от требуемых параметров готового изделия.

Какую сталь подвергают закалке

Термически обрабатывают только такой металл, в котором содержится не менее 0,45% углерода, а также инструментальную и легированную стали, твёрдость которых после закалки становится в несколько раз выше. Тот металл, в котором содержание углерода не превышает 0,45%, не обрабатывается термически. Ниже приведена таблица режимов термообработки для некоторых видов сталей.

Технология индукционной электротермической обработки

Технология высокочастотной закалки

Поверхностная закалка ТВЧ — это процесс термообработки для повышения прочностных характеристик и твердости заготовки.

Основные этапы поверхностной закалки ТВЧ — индукционный нагрев до высокой температуры, выдержка при ней, затем быстрое охлаждение. Нагревание при закалке ТВЧ производят с помощью специальной индукционной установки. Охлаждение осуществляют в ванне с охлаждающей жидкостью (водой, маслом или эмульсией) либо разбрызгиванием ее на деталь из специальных душирующих установок.


Индуктор нагревательный ТВЧ

(лат. inductor, от induce — ввожу, нахожу, побуждаю) электромагнитное устройство, предназначенное для индукционного нагрева ТВЧ. Индуктор ТВЧ состоит из двух основных частей — индуктирующего провода, с помощью которого создаётся переменное магнитное поле, и токоподводов для подключения индуктирующего провода к источнику электрической энергии. Проводящее электрический ток тело, помещенное в магнитное переменное поле, нагревается вследствие теплового действия вихревых токов, наводимых в участках изделия, непосредственно охватываемых индуктирующим проводом. В основном все типы индукторов твч могут быть разделены на два вида: одновременного и непрерывно-последовательного нагрева. В первом случае площадь индуктирующего провода примерно равна площади нагреваемой поверхности, что позволяет одновременно нагревать все её участки. При втором способе нагреваемое изделие перемещают относительно индуктирующего провода, последовательно нагревая участки поверхности изделия.

Выбор температуры

Для правильного прохождения процесса закалки очень важен правильный подбор температуры, которая зависит от используемого материала.

Читайте также:
Как заточить резцы для резьбы по дереву

Стали по содержанию углерода подразделяются на доэвтектоидные — меньше 0,8% и заэвтектоидные — больше 0,8%. Сталь с углеродом меньше 0,4% не закаливают из-за получаемой низкой твердости. Доэвтектоидные стали нагревают немного выше температуры фазового превращения перлита и феррита в аустенит. Это происходит в интервале 800—850°С. Затем заготовку быстро охлаждают. При резком остывании аустенит превращается в мартенсит, который обладает высокой твердостью и прочностью. Малое время выдержки позволяет получить мелкозернистый аустенит и мелкоигольчатый мартенсит, зерна не успевают вырасти и остаются маленькими. Такая структура стали обладает высокой твердостью и одновременно низкой хрупкостью.

Заэвтектоидные стали нагревают чуть ниже, чем доэвтектоидные, до температуры 750—800°С, то есть производят неполную закалку. Это связано с тем, что при нагреве до этой температуры кроме образования аустенита в расплаве металла остается нерастворенным небольшое количество цементита, обладающего твердостью высшей, чем у мартенсита. После резкого охлаждения аустенит превращается в мартенсит, а цементит остается в виде мелких включений. Также в этой зоне не успевший полностью раствориться углерод образует твердые карбиды.

В переходной зоне при закалке ТВЧ температура близка к переходной, образуется аустенит с остатками феррита. Но, так как переходная зона не остывает так быстро, как поверхность, а остывает медленно, как при нормализации. При этом в этой зоне происходит улучшение структуры, она становится мелкозернистой и равномерной.

Перегревание поверхности заготовки способствует росту кристаллов аустенита, что губительно сказывается на хрупкости. Недогрев не дает полностью феррито-перритной структуре перейти в аустенит, и могут образоваться незакаленные пятна.

После охлаждения на поверхности металла остаются высокие сжимающие напряжения, которые повышают эксплуатационные свойства детали. Внутренние напряжения между поверхностным слоем и серединой необходимо устранить. Это делается с помощью низкотемпературного отпуска — выдержкой при температуре около 200°С в печи. Чтобы избежать появления на поверхности микротрещин, нужно свести к минимуму время между закалкой и отпуском.

Также можно проводить так называемый самоотпуск — охлаждать деталь не полностью, а до температуры 200°С, при этом в ее сердцевине будет оставаться тепло. Дальше деталь должна остывать медленно. Так произойдет выравнивание внутренних напряжений.

Методы нагрева швов

Сварочные швы и соединения могут нагреваться несколькими способами. Среди наиболее распространенных можно выделить специальные гибкие нагревательные изделия, муфельные печи, индукционные и газопламенные приспособления.

Метод нагрева шва выбирается исходя из возможности установки дополнительного оборудования, доступа к трубам, диаметра детали и прочих субъективных факторов. Проще говоря, выбор метода нагрева не регламентируется нормами и правилами. Самое главное — нагревательные приспособления должны беспрепятственно монтироваться на деталь, весить немного и осуществлять равномерный нагрев, без перепадов температур. Такая обработка называется локальной или местной.

Локальная термообработка с помощью гибких нагревательных элементов — это самый простой и недорогой способ обработки шва. Ранее такие нагреватели выпускал , сейчас этим занимается «Корпорация Монтажспецстрой». Такие элементы легко подстраиваются под диаметр трубы и их монтаж не вызывает трудностей.

Также используются муфельные печи. Они вполне эффективны при работе с трубами небольшого диаметра. Но здесь есть один нюанс: чтобы прогрев был равномерным нужно устанавливать печь так, чтобы ее ось вращения не совпадала с геометрической осью.

Индукционные приспособления также довольно распространены. Они недорогие и эффективные. Широко применяются при нагреве швов как раз на трубах. В качестве нагревательного элемента здесь выступают многожильные медные кабели, которые охлаждаются с помощью воздуха. При нагреве шва труб нужно оставить небольшой зазор между самой трубой и кабелями. Такая установка для термообработки сварных швов позволяет прогреть соединения равномерно и быстро. Ниже представлена таблица с характеристиками индукторов.

Газопламенный метод нагрева предполагает использование многопламенных газовых горелок. Принцип работы такой специальной горелки ничем не отличается от обычной бытовой зажигалки, разве что каналов выхода пламени в десять раз больше. Здесь пламя образуется при сгорании кислорода и горючего газа. Газопламенный метод хорош в труднодоступных местах, но может занимать больше времени.

Читать также: Переключатель 380в на 2 направления 40а

Индукционная установка

Индукционная установка для термообработки ТВЧ представляет собой высокочастотный генератор и индуктор для закалки ТВЧ. Закаливаемая деталь может располагаться в индукторе или возле него. Индуктор изготовлен в виде катушки, на ней навита медная трубка. Он может иметь любую форму в зависимости от формы и размеров детали. При прохождении переменного тока через индуктор в нем появляется переменное электромагнитное поле, проходящее через деталь. Это электромагнитное поле вызывает возникновение в заготовке вихревых токов, известных как токи Фуко. Такие вихревые токи, проходя в слоях металла, нагревают его до высокой температуры.

Индукционный нагреватель ТВЧ

Отличительной чертой индукционного нагрева с помощью ТВЧ является прохождение вихревых токов на поверхности нагреваемой детали. Так нагревается только наружный слой металла, причем, чем выше частота тока, тем меньше глубина прогрева, и, соответственно, глубина закалки ТВЧ. Это дает возможность закалить только поверхность заготовки, оставив внутренний слой мягким и вязким во избежание излишней хрупкости. Причем можно регулировать глубину закаленного слоя, изменяя параметры тока.

Повышенная частота тока позволяет сконцентрировать большое количество тепла в малой зоне, что повышает скорость нагревания до нескольких сотен градусов в секунду. Такая высокая скорость нагрева передвигает фазовый переход в зону более высокой температуры. При этом твердость возрастает на 2—4 единицы, до 58—62 HRC, чего невозможно добиться при объемной закалке.

Для правильного протекания процесса закалки ТВЧ необходимо следить за тем, чтобы сохранялся одинаковый просвет между индуктором и заготовкой на всей поверхности закаливания, необходимо исключить взаимные прикосновения. Это обеспечивается при возможности вращением заготовки в центрах, что позволяет обеспечить равномерное нагревание, и, как следствие, одинаковую структуру и твердость поверхности закаленной заготовки.

Индуктор для закалки ТВЧ имеет несколько вариантов исполнения:

  • одно- или многовитковой кольцевой — для нагрева наружной или внутренней поверхности деталей в форме тел вращения — валов, колес или отверстий в них;
  • петлевой — для нагрева рабочей плоскости изделия, например, поверхности станины или рабочей кромки инструмента;
  • фасонный — для нагрева деталей сложной или неправильной формы, например, зубьев зубчатых колес.
Читайте также:
Залипание электрода при сварке инвертором

В зависимости от формы, размеров и глубины слоя закаливания используют такие режимы закалки ТВЧ:

  • одновременная — нагревается сразу вся поверхность заготовки или определенная зона, затем также одновременно охлаждается;
  • непрерывно-последовательная — нагревается одна зона детали, затем при смещении индуктора или детали нагревается другая зона, в то время как предыдущая охлаждается.

Одновременный нагрев ТВЧ всей поверхности требует больших затрат мощности, поэтому его выгоднее использовать для закалки мелких деталей — валки, втулки, пальцы, а также элементов детали — отверстий, шеек и т.д. После нагревания деталь полностью опускают в бак с охлаждающей жидкостью или поливают струей воды.

Непрерывно-последовательная закалка ТВЧ позволяет закалять крупногабаритные детали, например, венцы зубчатых колес, так как при этом процессе происходит нагрев малой зоны детали, для чего нужна меньшая мощность генератора ТВЧ.

Оборудование для выполнения индукционной закалки (ТВЧ)

Индукционная закалка требует специального технологического оборудования, которое включает три основных узла: источник питания — генератор токов высокой частоты, индуктор и устройство для перемещения деталей в станке.

Генератор токов высокой частоты это электрические машины, различающиеся по физическим принципам формирования в них электрического тока.

  1. Электронные устройства, работающие по принципу электронных ламп, преобразующих постоянный ток в переменный ток повышенной частоты – ламповые генераторы.
  2. Электромашинные устройства, работающие по принципу наведения электрического тока в проводнике, перемещающихся в магнитном поле, преобразующие трехфазный ток промышленной частоты в переменный ток повышенной частоты – машинные генераторы.
  3. Полупроводниковые устройства, работающие по принципу тиристорных приборов, преобразующих постоянный ток в переменный ток повышенной частоты – тиристорные преобразователи (статические генераторы).

Генераторы всех видов различаются по частоте и мощности генерируемого тока

Виды генераторов Мощность, кВт Частота, кГц КПД

Ламповые 10 — 160 70 — 400 0,5 — 0,7

Машинные 50 — 2500 2,5 — 10 0,7 — 0,8

Тиристорные 160 — 800 1 — 4 0,90 — 0,95

Поверхностную закалку мелких деталей (иглы, контакты, наконечники пружин) осуществляют с помощью микроиндукционных генераторов. Вырабатываемая ими частота достигает 50 МГц, время нагрева под закалку составляет 0,01-0,001 с.

Охлаждение детали

Охлаждение — второй важный этап процесса закалки, от его скорости и равномерности зависит качество и твердость всей поверхности. Охлаждение происходит в баках с охлаждающей жидкостью или разбрызгиванием. Для качественной закалки необходимо поддерживать стабильную температуру охлаждающей жидкости, не допускать ее перегрева. Отверстия в спрейере должны быть одинакового диаметра и расположены равномерно, так достигается одинаковая структура металла на поверхности.

Чтобы индуктор не перегревался в процессе работы, по медной трубке постоянно циркулирует вода. Некоторые индукторы выполняются совмещенными с системой охлаждения заготовки. В трубке индуктора прорезаны отверстия, через которые холодная вода попадает на горячую деталь и остужает ее.

Закалка токами высокой частоты

Основные причины выхода из строя индукционного оборудования и способы исправления:

Причина неисправности Методы исправления
Низкая квалификация обслуживающего персонала. Пошлите высокочастотников термистов и технологов на курсы повышения квалификации
Низкое давление воды в системе охлаждения, засоленная вода. Установите нужные насосы и фильтры, подайте дистиллированную воду.
Водяные течи и заливание установок водой. Следите за герметичностью системы охлаждения внутри и снаружи прибора. Применяйте толстые шланги и немагнитные струбцины.
Неправильная конструкция индукторов и выход за диапазон рабочих частот. Поменяйте количество витков индуктора, добейтесь рабочего диапазона частот.
Замыкание витков индуктора. Особенно опасно для серии СЧВ. Изолируйте индуктор термостойким рукавом или зафутеруйте жаропрочным бетоном.
Засорение пылью и возникновение электрической дуги. Приводит к возгоранию установок. Периодически очищайте от пыли все платы и силовые электронные компоненты ТВЧ установок.

Ремонтом ТВЧ установок может заниматься только высококвалифицированная сервисная служба. Мы более 5 лет обслуживаем и поддерживаем в работоспособном состоянии уже более 500 единиц индукционного оборудования у наших клиентов. Большой опыт, накопленный сервисной службой позволяет производить обслуживание и ремонт индукционного оборудования быстро и качественно! Обращайтесь, мы будем рады помочь вам.

Достоинства и недостатки

Закалка деталей с помощью ТВЧ обладает как достоинствами, так и недостатками. К достоинствам можно отнести следующее:

  • После закалки ТВЧ у детали сохраняется мягкой середина, что существенно повышает ее сопротивление пластической деформации.
  • Экономичность процесса закалки деталей ТВЧ связана с тем, что нагревается только поверхность или зона, которую необходимо закалить, а не вся деталь.
  • При серийном производстве деталей необходимо настроить процесс и далее он будет автоматически повторяться, обеспечивая необходимое качество закалки.
  • Возможность точно рассчитать и регулировать глубину закаленного слоя.
  • Непрерывно-последовательный метод закалки позволяет использовать оборудование малой мощности.
  • Малое время нагрева и выдержки при высокой температуре способствует отсутствию окисления обезуглероживания верхнего слоя и образования окалины на поверхности детали.
  • Быстрый нагрев и охлаждение не дают большого коробления и поводок, что позволяет уменьшить припуск на чистовую обработку.

Но индукционные установки экономически целесообразно применять только при серийном производстве, а для единичного производства покупка или изготовление индуктора невыгодно. Для некоторых деталей сложной формы производство индукционной установки очень сложно или невозможно получить равномерность закаленного слоя. В таких случаях применяют другие виды поверхностных закалок, например, газопламенную или объемную закалку.

Общая информация

Термическая обработка сварных соединений — это метод обработки швов, основанный на применении высоких температур. Благодаря термообработке осуществляется защита сварных швов от коррозии, снижается вероятность появления трещин, улучшаются механические свойства шва, повышается жароустойчивость. Этот метод можно сравнить с обжигом глины, которая приобретает особые свойства благодаря высоким температурам.

Читайте также:
Как воронить металл в домашних условиях

Термообработке подвергается только сварной шов или также прилегающая к нему область. Сварное соединение нагревается до определенной температуры и выдерживается в нагретом состоянии определенное количество времени, затем охлаждается. Для процесса обработки используется специальная установка для термообработки сварных швов или отдельные приспособления, о которых мы поговорим позже.

Существует несколько методов термообработки. Все они отличаются температурой, используемой для нагрева шва. Температура нагрева может быть от 650 до 1125 градусов по Цельсию, выбирается в зависимости от типа стали и свойств, которые должна получить сталь. Детали могут прогревать от 1 до 5 часов. Затем металл охлаждается естественным путем, без применения дополнительных методов.

В результате улучшается пластичность и ударная вязкость сварного соединения, улучшаются механические свойства, снижается остаточное напряжение от сварки. Зачастую необходима термообработка сварных соединений технологических трубопроводов. Поскольку именно трубы формируют важнейшие узлы. Они должны быть прочными и долговечными.

Печи и установки индукционного и диэлектрического нагрева. Типы и виды печей.

Технология высокочастотной закалки

Поверхностная закалка ТВЧ — это процесс термообработки для повышения прочностных характеристик и твердости заготовки.

Основные этапы поверхностной закалки ТВЧ — индукционный нагрев до высокой температуры, выдержка при ней, затем быстрое охлаждение. Нагревание при закалке ТВЧ производят с помощью специальной индукционной установки. Охлаждение осуществляют в ванне с охлаждающей жидкостью (водой, маслом или эмульсией) либо разбрызгиванием ее на деталь из специальных душирующих установок.

Рекомендации

Примечания

  1. ^ аб
    Руднев и др. 2002 г., п. 39
  2. ^ аб
    Руднев и др. 2002 г., п. 58
  3. Руднев и др. 2002 г., п. 59
  4. ^ аб
    Руднев и др. 2002 г., п. 1
  5. Руднев и др. 2002 г., п. 2
  6. Руднев и др. 2002 г., п. 249
  7. Руднев и др. 2002 г., п. 250

Библиография

  • Дэвис, Джон; Симпсон, Питер (1979), Справочник по индукционному нагреву
    , МакГроу-Хилл, ISBN 0-07-084515-8 .
  • Рапопорт, Эдгар; Плешивцева, Юлия (2006), Оптимальное управление процессами индукционного нагрева
    , CRC Press, ISBN 0-8493-3754-2 .
  • Руднев, Валерий; Без любви, Дон; Кук, Раймонд; Черный, Мика (2002), Справочник по индукционному нагреву
    , CRC Press, ISBN 0-8247-0848-2 .

Выбор температуры

Для правильного прохождения процесса закалки очень важен правильный подбор температуры, которая зависит от используемого материала.

Стали по содержанию углерода подразделяются на доэвтектоидные — меньше 0,8% и заэвтектоидные — больше 0,8%. Сталь с углеродом меньше 0,4% не закаливают из-за получаемой низкой твердости. Доэвтектоидные стали нагревают немного выше температуры фазового превращения перлита и феррита в аустенит. Это происходит в интервале 800—850°С. Затем заготовку быстро охлаждают. При резком остывании аустенит превращается в мартенсит, который обладает высокой твердостью и прочностью. Малое время выдержки позволяет получить мелкозернистый аустенит и мелкоигольчатый мартенсит, зерна не успевают вырасти и остаются маленькими. Такая структура стали обладает высокой твердостью и одновременно низкой хрупкостью.

Заэвтектоидные стали нагревают чуть ниже, чем доэвтектоидные, до температуры 750—800°С, то есть производят неполную закалку. Это связано с тем, что при нагреве до этой температуры кроме образования аустенита в расплаве металла остается нерастворенным небольшое количество цементита, обладающего твердостью высшей, чем у мартенсита. После резкого охлаждения аустенит превращается в мартенсит, а цементит остается в виде мелких включений. Также в этой зоне не успевший полностью раствориться углерод образует твердые карбиды.

В переходной зоне при закалке ТВЧ температура близка к переходной, образуется аустенит с остатками феррита. Но, так как переходная зона не остывает так быстро, как поверхность, а остывает медленно, как при нормализации. При этом в этой зоне происходит улучшение структуры, она становится мелкозернистой и равномерной.

Перегревание поверхности заготовки способствует росту кристаллов аустенита, что губительно сказывается на хрупкости. Недогрев не дает полностью феррито-перритной структуре перейти в аустенит, и могут образоваться незакаленные пятна.

После охлаждения на поверхности металла остаются высокие сжимающие напряжения, которые повышают эксплуатационные свойства детали. Внутренние напряжения между поверхностным слоем и серединой необходимо устранить. Это делается с помощью низкотемпературного отпуска — выдержкой при температуре около 200°С в печи. Чтобы избежать появления на поверхности микротрещин, нужно свести к минимуму время между закалкой и отпуском.

Также можно проводить так называемый самоотпуск — охлаждать деталь не полностью, а до температуры 200°С, при этом в ее сердцевине будет оставаться тепло. Дальше деталь должна остывать медленно. Так произойдет выравнивание внутренних напряжений.

Меры безопасности при работе

  • Основная опасность при работе — опасность получения ожогов от нагреваемых элементов установки и расплавленного металла.
  • Ламповая схема включает элементы с высоким напряжением, поэтому её нужно разместить в закрытом корпусе, исключив случайное прикосновение к элементам.
  • Электромагнитное поле способно воздействовать на предметы, находящиеся вне корпуса прибора. Поэтому перед работой лучше надеть одежду без металлических элементов, убрать из зоны действия сложные устройства: телефоны, цифровые камеры.

Не рекомендуется использовать установку людям с вживлёнными кардиостимуляторами! Печь для плавки металлов в домашних условиях может использоваться также для быстрого нагрева металлических элементов, например, при их лужении или формовке. Характеристики работы представленных установок можно подогнать под конкретную задачу, меняя параметры индуктора и выходной сигнал генераторных установок — так можно добиться их максимальной эффективности.

Индукционная установка

Индукционная установка для термообработки ТВЧ представляет собой высокочастотный генератор и индуктор для закалки ТВЧ. Закаливаемая деталь может располагаться в индукторе или возле него. Индуктор изготовлен в виде катушки, на ней навита медная трубка. Он может иметь любую форму в зависимости от формы и размеров детали. При прохождении переменного тока через индуктор в нем появляется переменное электромагнитное поле, проходящее через деталь. Это электромагнитное поле вызывает возникновение в заготовке вихревых токов, известных как токи Фуко. Такие вихревые токи, проходя в слоях металла, нагревают его до высокой температуры.

Индукционный нагреватель ТВЧ

Читайте также:
Инструмент для заточки сверла по металлу

Отличительной чертой индукционного нагрева с помощью ТВЧ является прохождение вихревых токов на поверхности нагреваемой детали. Так нагревается только наружный слой металла, причем, чем выше частота тока, тем меньше глубина прогрева, и, соответственно, глубина закалки ТВЧ. Это дает возможность закалить только поверхность заготовки, оставив внутренний слой мягким и вязким во избежание излишней хрупкости. Причем можно регулировать глубину закаленного слоя, изменяя параметры тока.

Повышенная частота тока позволяет сконцентрировать большое количество тепла в малой зоне, что повышает скорость нагревания до нескольких сотен градусов в секунду. Такая высокая скорость нагрева передвигает фазовый переход в зону более высокой температуры. При этом твердость возрастает на 2—4 единицы, до 58—62 HRC, чего невозможно добиться при объемной закалке.

Для правильного протекания процесса закалки ТВЧ необходимо следить за тем, чтобы сохранялся одинаковый просвет между индуктором и заготовкой на всей поверхности закаливания, необходимо исключить взаимные прикосновения. Это обеспечивается при возможности вращением заготовки в центрах, что позволяет обеспечить равномерное нагревание, и, как следствие, одинаковую структуру и твердость поверхности закаленной заготовки.

Индуктор для закалки ТВЧ имеет несколько вариантов исполнения:

  • одно- или многовитковой кольцевой — для нагрева наружной или внутренней поверхности деталей в форме тел вращения — валов, колес или отверстий в них;
  • петлевой — для нагрева рабочей плоскости изделия, например, поверхности станины или рабочей кромки инструмента;
  • фасонный — для нагрева деталей сложной или неправильной формы, например, зубьев зубчатых колес.

В зависимости от формы, размеров и глубины слоя закаливания используют такие режимы закалки ТВЧ:

  • одновременная — нагревается сразу вся поверхность заготовки или определенная зона, затем также одновременно охлаждается;
  • непрерывно-последовательная — нагревается одна зона детали, затем при смещении индуктора или детали нагревается другая зона, в то время как предыдущая охлаждается.

Одновременный нагрев ТВЧ всей поверхности требует больших затрат мощности, поэтому его выгоднее использовать для закалки мелких деталей — валки, втулки, пальцы, а также элементов детали — отверстий, шеек и т.д. После нагревания деталь полностью опускают в бак с охлаждающей жидкостью или поливают струей воды.

Непрерывно-последовательная закалка ТВЧ позволяет закалять крупногабаритные детали, например, венцы зубчатых колес, так как при этом процессе происходит нагрев малой зоны детали, для чего нужна меньшая мощность генератора ТВЧ.

Состав закалочного комплекса ТВЧ «TESLINE»

  • Установка индукционного нагрева на базе IGBT
  • Индуктор-спрейер
  • Механизм позиционирования детали и индуктора для ТВЧ закалки «А##» Ось вращения – расположение вертикальное
  • Перемещение индуктора вдоль детали
  • Механизм позиционирования оси индуктора – приводной при помощи джойстика
  • Насос с электромагнитным клапаном для подачи закалочной жидкости на спрейер индуктора.
  • Насос для откачки закалочной жидкости
  • Насос для подачи охлаждающей воды в установку
  • Выносной электронный пульт управления
  • Кнопочный пульт управления

Комплект технической документации Руководство по эскплуатации

Охлаждение детали

Охлаждение — второй важный этап процесса закалки, от его скорости и равномерности зависит качество и твердость всей поверхности. Охлаждение происходит в баках с охлаждающей жидкостью или разбрызгиванием. Для качественной закалки необходимо поддерживать стабильную температуру охлаждающей жидкости, не допускать ее перегрева. Отверстия в спрейере должны быть одинакового диаметра и расположены равномерно, так достигается одинаковая структура металла на поверхности.

Чтобы индуктор не перегревался в процессе работы, по медной трубке постоянно циркулирует вода. Некоторые индукторы выполняются совмещенными с системой охлаждения заготовки. В трубке индуктора прорезаны отверстия, через которые холодная вода попадает на горячую деталь и остужает ее.

Закалка токами высокой частоты

Изготовление оборудования самостоятельно

Установка индукционного нагрева большой сложности не составит. Даже тот, кто не имеет опыта, после тщательного изучения справится с поставленной задачей. Перед началом работы нужно запастись следующими необходимыми элементами:

  • Инвертор. Его можно использовать от сварочного аппарата, он недорогой и будет необходимой высокой частоты. Изготовить его можно самостоятельно. Но это затратное занятие по времени.
  • Корпус нагревателя (для этого подойдет кусок пластиковой трубы, индукционный нагрев трубы в этом случае будет самым эффективным).
  • Материал (сгодится проволока диаметром не более семи миллиметров).
  • Приспособления для подключения индуктора к сети отопления.
  • Сетка для удержания проволоки внутри индуктора.
  • Индукционною катушку можно создать из медной проволоки (она должна быть эмалированной).
  • Насос (для того, чтобы вода подавалась в индуктор).

Достоинства и недостатки

Закалка деталей с помощью ТВЧ обладает как достоинствами, так и недостатками. К достоинствам можно отнести следующее:

  • После закалки ТВЧ у детали сохраняется мягкой середина, что существенно повышает ее сопротивление пластической деформации.
  • Экономичность процесса закалки деталей ТВЧ связана с тем, что нагревается только поверхность или зона, которую необходимо закалить, а не вся деталь.
  • При серийном производстве деталей необходимо настроить процесс и далее он будет автоматически повторяться, обеспечивая необходимое качество закалки.
  • Возможность точно рассчитать и регулировать глубину закаленного слоя.
  • Непрерывно-последовательный метод закалки позволяет использовать оборудование малой мощности.
  • Малое время нагрева и выдержки при высокой температуре способствует отсутствию окисления обезуглероживания верхнего слоя и образования окалины на поверхности детали.
  • Быстрый нагрев и охлаждение не дают большого коробления и поводок, что позволяет уменьшить припуск на чистовую обработку.

Но индукционные установки экономически целесообразно применять только при серийном производстве, а для единичного производства покупка или изготовление индуктора невыгодно. Для некоторых деталей сложной формы производство индукционной установки очень сложно или невозможно получить равномерность закаленного слоя. В таких случаях применяют другие виды поверхностных закалок, например, газопламенную или объемную закалку.

Что происходит внутри

Не вдаваясь в особые подробности, следует отметить, что структура закаленной стали бывает трех основных видов: мартенситной, трооститной и сорбитной. От соотношения этих кристаллических образований и зависят механические характеристики

В данном случае неважно, какое из них и каким образом влияет на твердость. Результат зависит от того, насколько прогрет металл и как быстро он охлажден

Читайте также:
Как брашировать дерево своими руками

Таким образом, поверхностная закалка может возникать при повышении температуры верхнего слоя и последующим охлаждением либо в результате отдачи тепла внешней среде (жидкости, чаще всего маслу, воде и рассолу, воздуху или другим агентам), либо за счет частичного ухода его внутрь изделия. При этом полиморфные превращения происходят послойно, в зависимости от степени достижения критической температуры, влияющей на формирование новой кристаллической структуры.

В итоге происходит изменение по следующим зонам:

– Верхняя, подвергшаяся упрочнению.

– Промежуточная, закаленная частично. Ее еще называют зоной термического влияния.

– Область пониженной твердости.

– Внутренняя часть, не подвергшаяся изменениям.

ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА СТАЛИ

При поверхностной закалке на некоторую (заданную) глубину закаливается только поверхностный слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной.

Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия. Сердцевина изделия остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки. В практике более часто применяют поверхностную закалку с индукционным нагревом током высокой частоты (т.в.ч.), а для крупных деталей закалку с нагревом газовым пламенем.

ЗАКАЛКА С ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Индукционный нагрев для термической обработки был впервые предложен в 1935 г. В.П. Вологдиным.

Индукционный нагрев происходит вследствие теплового действия тока, индуктируемого в изделии, помещенном в переменное магнитное поле.

Для нагрева изделие устанавливают в индуктор (соленоид), представляющий собой один или несколько витков пустотелой водоохлаждаемой медной трубки или шины (рис. 96). Переменный ток, протекая через индуктор, создает переменное магнитное поле. В результате явления индукции в поверхностном слое возникают вихревые токи, и в слое обрабатываемого изделия происходит выделение джоулева тепла. Плотность индуктированного переменного тока по сечению проводника (нагреваемого изделия) неодинакова. Ток проходит в основном в поверхностном слое проводника. Это явление называется поверхностным эффектом. Около 90% тепла выделяется в слое толщиной х, см, который находится в следующей зависимости от частоты тока/, Гц, магнитной проницаемости р, Гс/Э, и электросопротивления р, Ом х см, нагреваемого металла:

х = 5000^/рТм/”-

Рис. 96. Индукционный нагрев:

а — схема индукционного нагрева; б — закалка при одновременном нагреве всей поверхности; 1 — деталь; 2 — индуктор; 3 — спрейер; 4 — силовые линии магнитного поля

Глубина проникновения тока увеличивается с повышением температуры и наиболее резко возрастает при температуре, лежащей выше точки Кюри (768°С), вследствие резкого уменьшения магнитной проницаемости при переходе стали из ферромагнитного в парамагнитное состояние. Одновременно уменьшается скорость нагрева, что нужно учитывать при установлении режима нагрева. Скорость нагрева в области температур фазовых превращений < и А3 для доэвтектоидной стали) составляет 30—300°С/с.

Для закалки при поверхностном нагреве применяют сравнительно большую удельную мощность (5—20 МВт/м 2 ), и поэтому время нагрева незначительно: 2—50 с.

Для получения слоя толщиной 1,0 мм оптимальная частота тока составляет 50 000-60 000 Гц, для слоя 2,0 мм

15 000 Гц и для слоя 4,0 мм

Однако уже на частотах звукового диапазона (2000-8000 Гц) можно проводить поверхностный нагрев и закалку на глубину 1—2 мм. Глубина закалки примерно равна глубине нагрева до температуры выше критической точки; глубинные слои детали нагреваются ниже критических точек и при охлаждении не упрочняются.

Так как металлургическое оборудование в основном состоит из крупногабаритных деталей, толщина закаленного слоя обычно составляет от 2—3 до 5—8 мм и более. Поэтому частоту тока чаще принимают 2,5—8 кГц. Слой толщиной до 3—5 мм можно получить и на радиочастотах путем удлинения цикла нагрева; в этом случае тепло поступает за счет теплопроводности.

Как источник электропитания используют машинные и, реже, ламповые генераторы. Машинные генераторы имеют частоту от 1000 до 10 000 Гц при мощности 60-1000 кВт, а ламповые генераторы — частоту до 100 000 Гц и мощность от 5 до 220 кВт. Закалку при нагреве ТВЧ осуществляют на специальных установках, которые обычно механизированы и автоматизированы.

При больших скоростях нагрева превращение перлита в аустенит сдвигается в область высоких температур (см. рис. 68). Поэтому температура закалки при индукционном нагреве выше, чем при нагреве в печах, где скорость нагрева не превышает 1,5—3,0°С/с. Чем больше скорость нагрева в районе фазовых превращений, тем выше должна быть температура для достаточно полной аустенитизации и получения при охлаждении оптимальной структуры (мелкокристаллический мартенсит) и максимальной твердости.

Так, при печном нагреве температура закалки стали с 0,4% С составляет 840-860°С, при индукционном нагреве со скоростью нагрева 250°С/с 880—920°С, а при 500°С/с 980-1020°С.

Охлаждающую жидкость (воду, эмульсию) для закалки обычно подают через душевое устройство — спрейер (рис. 96, б).

После закалки с индукционным нагревом изделия подвергают низкому отпуску при 160—200°С, нередко и самоотпуску. В этом случае при закалке охлаждение проводят не до конца, и в детали сохраняется некоторое количество тепла, нагревающего закаленный слой до температур отпуска.

Для поверхностной индукционной закалки применяют стали, содержащие 0,4—0,5% С, которые после закалки имеют высокую твердость (HRC 55—60), сопротивляемость износу; они не склонны к хрупкому разрушению.

В последние годы в СССР получает распространение поверхностная закалка при глубинном индукционном нагреве. В этом случае глубина нагрева до надкритических температур больше, чем глубина закалки (прокаливаемость). Детали, имеющие тонкое сечение, нагреваются насквозь. Глубина закалки, таким образом, определяется не глубиной нагрева, а прокаливаемос- тью стали. Поэтому для поверхностной закалки применяемая сталь должна прокаливаться на меньшую глубину, чем глубина нагрева. После закалки на поверхности образуется мартенсит (HRC 60), а в сердцевине — сорбит или троостит, что значительно упрочняет ее.

Для глубинного нагрева используют специально разработанные стали пониженной и регламентированной прокаливаемости (РП). Это достигается ограничением содержания примесей (Si, Mn, Cr, Ni и др.), получением мелкого и устойчивого зерна аустенита, наличием в стали нерастворимых частиц AIN, TiC и др. Применяют стали пониженной прокаливаемости (55ПП), содержащей 0,55-0,63% С и -0,5% примесей (Si, Mn, Cr, Ni и др.) и регламентированной прокаливаемости (47ГТ) (0,44—0,51 % С; 0,9-1,2% Мп; 0,06-0,12% Ti).

Читайте также:
Изготовление корпусной мебели своими руками

Необходимость нагрева на большую глубину требует невысокой концентрации энергии в зоне нагрева, поэтому удельная мощность составляет 0,05—0,2 кВт/cm 2 , что меньше, чем в случае поверхностной закалки при поверхностном нагреве. Скорость нагрева в области температур фазовых превращений составляет 2—10°С/с, время нагрева 20-100 с. Частота тока 2500-10 000 Гц.

После закалки с индукционного нагрева действительное зерно аустенита значительно мельче (баллы 10—12), чем при обычной закалке с печным нагревом (баллы 7—8). Мелкое зерно получается вследствие большой скорости нагрева и отсутствия выдержки при нагреве.

При поверхностной закалке, в том числе и с глубинным нагревом, сильно повышается сопротивление усталостному разрушению. Предел выносливости повышается на 80—100% при испытании образцов с надрезом и на 25—30% при испытании гладких образцов.

Индукционный нагрев позволяет сократить длительность термической обработки, а следовательно, увеличить производительность труда; получить изделия без окалины, что снижает припуски на дальнейшую обработку, и уменьшить деформацию и коробление изделий в процессе термической обработки. Наряду с этим индукционная закалка создает условия для автоматизации процесса и обеспечивает возможность выполнения термической обработки непосредственно в поточной линии механической обработки без разрыва технологического цикла.

Закалка с индукционного нагрева находит широкое применение в промышленности. Более 500 наименований металлургического оборудования подвергается закалке при индукционном нагреве (например, различные шестерни, валики холодной прокатки, колеса и тормозные шкивы кранов, различные цилиндрические детали и т.д.).

Закалка с газопламенным нагревом. Этот способ закалки применяют для крупных изделий (прокатных валков, валов и т.д.). Поверхность детали нагревают газовым пламенем, имеющим высокую температуру (2400—3150°С). Вследствие подвода значительного количества тепла поверхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, тогда как сердцевина детали не успевает нагреться. Последующее быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. В качестве горючего применяют ацетилен, светильный и природный газы, а также керосин. Для нагрева используют щелевые горелки (имеющие одно отверстие в форме щели) и многопламенные.

Толщина закаленного слоя обычно составляет 2—4 мм, а его твердость HRC 50—56. В тонком поверхностном слое образуется мартенсит, а в нижележащих слоях троосто-мартенсит. Пламенная закалка вызывает меньшие деформации, чем объемная, и из-за большой скорости нагрева сохраняет более чистую поверхность.

Закалка при газопламенном нагреве достаточно широко применяется для упрочнения металлургического оборудования (валок коксовой дробилки, ролики для правки листов и шпунта, валки привода стана 500, шестерни рудного перегружателя и др.).

Поверхностная закалка при нагреве лазером. Лазеры — оптические квантовые генераторы — позволяют получить очень высокую концентрацию энергии. Применение лазеров для термической обработки основано на трансформации световой энергии в тепловую. Закалка при нагреве лазером проводится при удельной мощности 10 8 —5х 10 4 Вт/см 3 при времени воздействия на поверхность 10 _2 с. Используются технологические лазеры импульсного и непрерывного действия При импульсном излучении воздействие осуществляется в точке, при непрерывном — в полосе шириной до 3 мм.

Поэтому для обработки поверхности необходимо передвигать (скандировать) луч с взаимным перекрытием или без перекрытия предварительно упрочненных зон. Лазеры непрерывного излучения обеспечивают высокую производительность, равномерность упрочнения и позволяют обрабатывать любой профиль поверхности со скоростью 100-10 000 мм/мин. Толщина упрочненного слоя составляет 0,3—1,0 мм. Закалка нагретых участков осуществляется путем интенсивного отвода тепла в глубь обрабатываемого изделия (самозакалка). Скорость охлаждения при нагреве без оплавления (5—10) х 10 3 °С/с, а в зоне расплавления до 10 6 °С/с, что значительно больше скорости охлаждения при обычной закалке.

После закалки структура упрочненного слоя на стали с 0,35—0,45% С состоит из зоны плавления, представляющей собой дендритные кристаллы мартенсита (HV800—850);з о ны термического влияния (нагрев вышеЛ3), состоящий из мартенсита с твердостью HV800.

При нагреве без расплавления эта зона отсутствует. Нижняя граница слоя определяется зоной неполной закалки (нагрев в интервале температур Л—Аг со структурой мартенсита и феррита); зоны отпуска с пониженной твердостью НV 500-650 и далее следует сердцевина с исходной структурой.

Лазерная обработка успешно применяется для поверхностного упрочнения чугунов. Благодаря оплавлению поверхности и образованию ледебуритной эвтектики (отбел чугуна) и мартенситного подслоя твердость на поверхности достигает HV 750—900.

Закалка при нагреве лазером — перспективный метод поверхностного упрочнения сложных изделий, долговечность которых лимитируется износостойкостью и усталостной прочностью, когда закалка их другими методами затруднена.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

  • 1. В чем различие отжига I рода от отжига II рода?
  • 2. Когда применяют гомогенизацию?
  • 3. Что такое полный отжиг и когда его применяют? В каких случаях применяют изотермический отжиг?
  • 4. Как осуществляют процесс сфероидизации? Для каких сталей применяют этот вид отжига?
  • 5. Что такое флокены? Какую обработку применяют для предотвращения образования флокенов?
  • 6. Установить температуру нагрева под закалку стали, содержащей 0,45% С и 1,2% С.
  • 7. Какие охлаждающие среды применяют для закалки углеродистой и легированной стали?
  • 8. Что такое закаливаемость и прокаливаемость стали? Факторы, влияющие на них?
  • 9. Какие виды отпуска Вы знаете? Когда их применяют?
  • 10. Какие виды обработок применяют для упрочнения сортового проката?
  • 11. Какие преимущества перед обычной закалкой имеет термомеханическая обработка и почему?
  • 12. Для каких деталей рекомендуется поверхностная закалка при индукционном и лазерном нагреве?
  • 13. Почему после поверхностной закалки повышается предел выносливости?
  • 14. Почему температура под закалку при индукционном нагреве выше, чем при нагреве в печи? В каком случае будет более мелкое зерно аустенита? Как проводится и какие преимущества закалки при глубинном индукционном нагреве?
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
gmnu-nazarovo.ru
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: