Закалка ТВЧ

 

Закалка при индукционном нагреве  имеет ряд  преимуществ по сравнению с обработкой при обычном  нагреве. При ее использовании улучшается качество изделий (уменьшается деформация, практически полностью  устраняется  окисление и обезуглероживание)   и значительно  повышается производительность.

Нагрев токами  высокой частоты (ТВЧ)   осуществляется за счет теплового  действия тока,  индуктируемого  в детали, которую помещают в переменное магнитное поле.

Для нагрева деталь 1 помещают  в индуктор 2,  представляющий собой один или несколько витков медной трубки или шины (рис. 1).

схема нагрева токами высокой частоты

При протекании по индуктору 2  электрического тока высокой частоты создается  переменное магнитное поле, силовые линии 3 которого  пронизывают  установленную в индуктор деталь 1. В результате  в поверхностном слое детали  возникают вихревые токи (токи Фуко), вызывающие нагрев этого слоя до высоких температур.

Плотность индуктированного переменного тока по сечению изделия неодинакова. В основном токи высокой  частоты  протекают в поверхностном слое (рис.2). Это явление  называется поверхностным эффектом или скин-эффектом.

глубина проникновения ТВЧ в металл

   Неравномерное распределение токов по сечению  изделия  приводит неравномерному нагреву:  поверхностные слои нагреваются очень быстро, а сердцевина  либо совсем не нагревается, либо нагревается за счет  теплопроводности стали.

Толщина слоя и глубина  проникновения тока  зависит от  частоты переменного тока,  удельного  электросопротивления металла, магнитной проницаемости и  определяется по формуле

У = 5030 √ р/µf,

Где, у – толщина слоя или глубина проникновения тока, см р-  удельное электросопротивление, Ом·мм2/м, µ — магнитная проницаемость, Гс/э, f- частота тока, Гц.

Из формулы видно, что  чем  больше частота тока, тем меньше  толщина закаленного слоя. Для получения  слоя толщиной 1,0 мм  оптимальная частота тока составляет примерно 60 000 Гц, для слоя 2,0мм – около 15 000 Гц и для слоя  4,0 мм – 4000 Гц.

С повышением температуры глубина  проникновения тока   увеличивается и достигает максимального значения при  температуре выше точки Кюри (768 ᴼС),  вследствие  перехода стали из  ферромагнитного в парамагнитное состояние.

Вместе с тем происходит  уменьшение скорости нагрева при переходе  через точку Кюри.  При температурах ниже точки Кюри  сталь  нагревается быстрее,  выше этой  точки  процесс нагрева замедляется (рис. 3),  что следует учитывать при назначении режима нагрева.

график индукционного нагрева

   Токи высокой частоты получают  с помощью  машинных ( до 10 000 Гц) или  ламповых (свыше 10 000 Гц)  генераторов.

Скорость нагрева токами высокой частоты во много раз превышает скорость нагрева в печах. Поэтому превращение перлита в аустенит  сдвигается в область  более высоких температур.  Чем больше скорость нагрева в области фазовых превращений, тем выше должна быть температура закалки для получения оптимальной  структуры и максимальной твердости.  Например, при печном нагреве температура  закалки стали, содержащей 0,4% С,  составляет 840-860ᴼс; при нагреве ТВЧ  со скоростью 250град/с – 880-920ᴼ С, а при скорости нагрева  500 град/с – 900-1020ᴼ С.

Несмотря на более высокие температуры закалки  при нагреве ТВЧ,  действительный размер зерна  аустенита меньше, чем при  обычной закалке. Это объясняется  высокой скоростью нагрева и отсутствием выдержки  при температуре нагрева.

После индукционной  закалки микроструктура  по сечению изделия  различная: структура закаленного  слоя – мелкоигольчатый мартенсит, переходного слоя – мартенсит и феррит, а сердцевина имеет сходную  структуру.

После закалки с нагревом ТВЧ детали подвергают  низкому отпуску при 160-200ᴼ с. Сталь после закалки токами  высокой частоты обладает  большей твердостью, чем  после обычной закалки. Например, сталь, содержащая  0,4 % С,  после обычной закалки имеет твердость HRC54-56,  а после  закалки ТВЧ – HRC56-58.  При  этом одновременно повышается предел  усталости.

 

Для индукционной закалки применяют  конструкционные стали 35,45,У6,35Х,40Х,30ХМ,55ПП и т.д.

Перед закалкой ТВЧ стали подвергают  предварительной термической обработке – нормализации или  улучшению

Существует три способа закалки с индукционным нагревом:

Одновременный нагрев и охлаждение  всей поверхности. Этот метод применяют для деталей, имеющих небольшую поверхность (пальцы, осевые инструменты и т.д.);

Последовательный (поочередный) нагрев и охлаждение отдельных участков состоит в том, что обрабатываемая поверхность детали  нагревается и охлаждается по частям. Например, последовательный нагрев и закалка шеек коленчатого вала;

Непрерывно- последовательный нагрев и охлаждение. При этом способе деталь вращается вокруг  собственной  оси и перемещается  (сверху вниз) относительно неподвижного индуктора  и охлаждающего устройства (спрейера). Иногда, наоборот,  индуктор и спрейер  перемещаются относительно вращающейся детали. Скорость передвижения детали (или индуктора)  для получения  слоя толщиной 1-10 мм при f= 500  — 100 000 Гц  составляет 0,3-3,0 см/с.  Непрерывно-последовательный способ  закалки применяют  для упрочнению валов, осей, шпилек и других  длинных деталей.

Выполняя индукционную закалку, необходимо  учитывать эффект  близости, который  проявляется  в том,  что при протекании токов в разных  направлениях по двум проводникам наибольшая плотность тока будет  в тех участках проводников,  которые ближе  расположены друг к другу. Неодинаковая плотность тока  по сечению приведет к неравномерному нагреву поверхности  детали. Поэтому для получения  равномерной толщины  закаленного слоя расстояние от индуктора до детали  должно быть одинаковым и деталь должна вращаться.

Таким образом, особенностями поверхностной индукционной закалки являются:

Глубина закалки примерно равна глубине  нагрева до  надкритических температур;  глубинные слои изделия в процессе индукционной закалки нагреваются ниже  критических температур и поэтому не упрочняются  при охлаждении;

Применяемая сталь прокаливается, как правило,  на глубину, большую, чем необходима глубина  поверхностной закалки;

Концентрация тепловой энергии в зоне нагрева  относительно велика; удельная мощность обычно  лежит  в пределах 0,5-1,5 кВт/м2, что определяет высокую  скорость нагрева (от 30 до 300 град/с) и большие мощности индукционных установок.

Широкое применение получил способ  поверхностной индукционной закалки при глубинном нагреве.  Особенности этого способа состоят в следующем:

Глубина нагрева до надкритических температур должна быть большей, чем  требуемая глубина закалки;  при глубинном нагреве зубья колес нагреваются насквозь;

Применяемая сталь способна прокаливаться на меньшую глубину, чем глубина нагрева, поэтому глубина закалки на мартенсит определяется не глубиной нагрева, прокаливаемостью применяемой стали; при этом слои, лежащие  ниже слоя мартенсита и нагретые  до надкритических температур, при охлаждении  закаливаются  на структуру троостит или сорбит закалки, т.е.  получают упрочнение.

Глубокий нагрев по сечению детали  вынуждает применять  относительно низкую степень концентрации тепловой энергии  в зоне нагрева; удельная мощность  обычно составляет 0,05-0,2 кВт/см2,  скорость нагрева  в области фазовых превращений находится  в пределах 2-10 град/с,  а время  нагрева деталей от 20 до 100 с.  Это определяет относительно небольшие мощности  индукционных установок.

Для получения стабильных значений глубины  закаленного слоя необходимо  применять стали с  пониженной прокаливаемостью (55ПП).

Недостаток закалки ТВЧ – высокая стоимость  оборудования и нерентабельность его применения в единичном производстве.

На некоторых заводах поверхностную закалку осуществляют  с помощью  лазерной  техники.  Лазерный луч позволяет провести локальный нагрев металла с высокой скоростью;  охлаждение происходит за счет отвода тепла  в металл.

 

Используемая литература:

«Термическая обработка металлов»    В.М. Зуев.