Технология и оборудование термической обработки ТВЧ и ТПЧ

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Технология и оборудование термической обработки ТВЧ и ТПЧ»

Содержание

метал термообработка закалка электронагрев

1. Технология и оборудование термической обработки ТВЧ и ТПЧ

1.1 Применение термической обработки с использованием нагрева ТВЧ и СПЧ

1.2 Особенности термической обработки при быстрому нагреванию

1.3 Факторы, обеспечивающие высокую конструктивную прочность изделий после закалки электронагревом

1.4 Нагрев и структурные превращения при нагреве

1.5 Оборудование и устройства для термической обработки при нагреве СВЧ и ТПЧ

1.6 Поверхностная закалка при индукционном нагреве

1.7 Технология объемно-поверхностной закалки при индукционном нагреве

1.8 Отпуск стали после поверхностной закалки при индукционном нагреве

1.9 Разработка технологических процессов термообработки при индукционном нагреве

1.10 Поверхностная закалка с электроконтактного нагрева

1.11 Прямой объемный электроконтактный нагрев

1.12 Поверхностная закалка с нагрева в электролитах

2.Методичні вказівки до виконання практичних робіт з дисципліні «Технологія та обладнання термічної обробки СВЧ та СПЧ»

2.1 Практичне заняття №1

2.2 Практичне заняття №2

1. Технология и оборудование термической обработки ТВЧ и ТПЧ

1.1 Применение термической обработки с использованием нагрева ТВЧ и СПЧ

Структура, свойства и качество отделки поверхности многих деталей машин, металлорежущих и других инструментов оказывают очень большое влияние на эксплуатационную стойкость. Поэтому наряду с объемной ТО получают все более широкое распространение методы поверхностной обработки.

Высокочастотная поверхностная закалка применяется в промышленности для получения изделий с твердым износоустойчивым поверхностным слоем и сравнительно мягкой и вязкой сердцевиной.

В настоящее время индукционный нагрев токами высокой частоты является одним из основных видов нагрева при термической обработке изделий в машиностроении и металлургии. Так, на автомобильных завода ЗИЛ и ГАЗ относительный объем деталей, упрочняемых закалкой с нагрева ТВЧ, составляет более 60% от общей массы упрочняемых деталей автомобиля.

Первым и основным преимуществом всякой закалки с поверхностным нагревом, в том числе и высокочастотной поверхностной закалки, по сравнению со сквозной закалкой является уменьшение хрупкости изделий. Хрупкость уменьшается в результате образования пластичной и вязкой сердцевины, а во многих случаях вследствие местного расположения закаленного слоя только на участках, твердость которых должна быть высокой.

Трещины и разрушения при перегрузке и ударах, а также при наличии выточек, отверстий переходов сечений и пороков металла легче возникают в деталях со сквозной закалкой, чем в деталях с поверхностным твердым слоем. Возникшие в процессе производства или эксплуатации трещины в деталях со сквозной закалкой приводят к немедленному и очень хрупкому разрушению. При поверхностном упрочнении трещины, возникшие в твердом слое, в большинстве случаев не распространяются в мягкую и вязкую сердцевину.

Благодаря значительному понижению склонности к хрупким разрушениям, достигаемому при переходе от сквозной к поверхностной закалке, повышается допустимая твердость и, следовательно, сопротивление износу поверхностно закаленных деталей.

Вторым преимуществом закалки с поверхностным нагревом является существенное уменьшение деформаций, во время нагрева и охлаждения, достигаемое за счет жесткости холодной сердцевины.

Третье преимущество - практически полное устранение окисления и обезуглероживания, что при уменьшении деформации позволяет в некоторых случаях производить закалку окончательно готовых деталей без шлифования.

Четвертым преимуществом является уменьшение затрат энергии на нагрев: нагреваемый слой во многих случаях составляет небольшую часть деталей.

При поверхностной закалке твердый слой 1 - 2мм может быть получен за несколько секунд, а при полной закалке деталей непрерывно-последовательным методом или методом последовательной закалки отдельных участков требуется время 1 - 2мин.

Наконец, весьма существенным преимуществом деталей с поверхностной закалкой является возможность изготовления их из более дешевой углеродистой стали, в то время как цементуемые стали изготавливают из легированных сталей 15Х, 20Х. 12ХН3А, 18ХНВА и др.

Высокочастотная поверхностная закалка позволяет обеспечить свойства сердечника независимо от свойства твердого слоя. Сердечник может иметь структуру, полученную путем отжига, нормализации или закалки с высоким отпуском. Это часто приводит к возможности замены углеродистыми сталями 40 и 45, обычно применяемыми в таких случаях легированных сталей, хромистой и даже хромоникелевой.

На практике твердость цементованного слоя чаще всего составляет НRС 58 - 62, а нижняя допустимая граница твердости после ТВЧ снижается до НRС 50 и 45 для сталей 40 и 45 соответственно.

Недостатком высокочастотной закалки по сравнению с цементацией является трудность, а некоторых случаях невозможность получения равномерного слоя закалки по контуру сложных деталей.

Поэтому необходимо параллельно использовать оба метода: при этом поверхностная закалка имеет преимущества для получения более дешевых деталей массового производства, а ХТО - для получения деталей с повышенным сопротивлением износу, стоимость которых может быть повышенной.

Целесообразность использования поверхностной закалки с глубинным нагревом должна определяться в соответствии с конкретными условиями работы изделия. Высокочастотный нагрев для сквозной закалки, улучшения, нормализации рекристаллизационного отжига применяется для изделий, ТО которых в печах вызывает трудности: длинные прутки, трубы, листы, проволока. При этом уменьшается окисление и обезуглероживание, легче обработка включается в поток производства. Кроме того обеспечиваются более стабильные мех. свойства. ВЧ нагрев применяют для цементации и других видов ХТО, это позволяет сократить длительность процесса, но этот метод недостаточно разработан и находит ограниченное применение.

Металлы и сплавы для обработки ТВЧ

В практике ВЧ поверхностной закалки наибольшее применение получили стали со средним содержанием углерода 0,40 - 0,50%, которые позволяют иметь достаточно высокую твердость и сопротивление износу и не обладают чрезмерной хрупкостью. Стали с более высоким содержанием углерода имеют более высокую твердость и сопротивление износу, однако склонны к образованию трещин или хрупкому разрушению в условиях эксплуатации. Стали с более низким содержанием углерода применяют тогда, когда приходится сознательно идти на снижение твердости сопротивления износу с целью уменьшения хрупкости поверхностного слоя и повышения вязкости всего изделия, а также склонности к образованию закалочных трещин.

Применение легированных сталей оправдано лишь при больших размерах изделия и особо высоких требованиях, предъявляемых к мехсвойствам сердцевины или изделия в целом.

Подавляющее большинство деталей, подвергающихся высокочастотной поверхностной закалке, изготавливается из сталей 45 и 20, причем в ряде случаев применяется сталь с несколько суженными пределами по углероду (45С, 40С, 45CА).

В автомобильной промышленности из стали 45 изготавливают коленчатые и кулачковые валы, оси, стержни, вилки, штоки и многие другие детали. Из стали 40 - карданный в, муфты, шайбы, обод маховика. Из стали 35 - детали, вязкость которых должна быть повышена: толкатели, клапаны, вилки, включения сцепления и т.п.

В автомобилестроении высокочастотную поверхностную закалку используют для легированных сталей 40Х (промежуточный и пазовый валы, труба полуоси, болт толкателя, штоки и др.), 30Х (вал сошки, скользящая вилка), 40ХНМА (фланец кардана, выпускные клапаны). Стали с повышенным содержанием марганца 36Г2, 40Г2, 45Г2, 50Г применяют в тракторостроении и сельхозмашиностроении.

Стали У7, У8, У10, У12 используют для режущего и мерительного инструмента; сталь 9Х - для валков холодной прокатки после ТВЧ.

Для деталей, подвергаемых поверхностной закалке при глубинном нагреве применяют стали пониженной и регламентированной прокаливаемости.

1.2 Особенности термической обработки при быстрому нагреванию

При нагреве в печах и ваннах передача энергии происходит извне, скорость нагрева ограничивается условиями теплопередачи из внешней среды в металл (лучеиспусканием или конвекцией), и теплопроводностью металла. При электронагреве энергия выделяется непосредственно в нагреваемом теле за счет прохождения в нем электрического тока и интенсивность нагрева гораздо выше; время нагрева в большинстве случаев соответствует секундам или десятками секунд. Это создает ряд важных технологических преимуществ, таких как высокая производительность, практическое отсутствие окисления и обезуглероживания поверхности нагреваемых изделий.

Многие детали машин (зубчатые колеса, валы, поршневые кольца и т.п.) работают на трение и одновременно подвергаются действию ударных нагрузок. Такие детали должны иметь твердый износостойкий поверхностный слой и вязкую сердцевину, хорошо противостоящую против ударов. Это требование может быть удовлетворено применением мягкой и вязкой стали, поверхность которой, подвергающаяся трению, упрочняется тем или иным методом. Техническими условиями обычно обусловливается твердость и глубина упрочненного слоя, а также прочность и вязкость сердцевины изделий.

Основными методами поверхностного упрочнения металлов являются:

- поверхностная закалка,

- химико-термическая обработка;

- пластическое деформирование.

Выбор того или иного способа поверхностного упрочнения зависит от назначения изделий, условий их работы, особенностей процесса, его экономической эффективности и других факторов.

Из различных способов поверхностной закалки наибольшее распространение в настоящее время получили:

- электротермическая закалка, при которой нагрев изделий производится токами высокой частоты (закалка с нагревом ТВЧ), токами повышенной или промышленной частоты; наиболее часто применяют индукционную закалку с нагревом ТВЧ;

- газопламенная закалка, при которой нагрев производится пламенем ацетилен - кислородной или газовой горелки;

- закалка в нагреве в электролите.

Осуществляют поверхностную обработку на различных установках с использованием скоростных методов нагрева и охлаждения. Отличаются такие методы обработки от ХТО тем, что при этом не изменяется химический состав поверхностного слоя.

К скоростным методам нагрева относятся нагрев специальными газовыми горелками и газокислородным пламенем, электронагрев током промышленной частоты, контактным методом, токами высокой частоты, в электролите и в кипящем слое. Эти методы применяются для поверхностного нагрева, а некоторые из них могут быть использованы и для сквозного.

Вместе с тем при быстром нагреве фазовые превращения в стали протекают в условиях весьма короткого времени, недостаточного для завершения диффузионных процессов. Это вызывает ряд особенностей, которые необходимо учитывать при разработке технологии термической обработки:

- Чем выше скорость нагрева, тем при более высокой температуре завершается процесс образования аустенита. При длительности нагрева менее 12 - 14с температура аустенитизации должна быть существенно выше равновесной и ее выбирают экспериментально в зависимости от состава стали и характера ее от исходной структуры.

- При быстром нагреве аустенит получается неоднородным по углероду и легирующим элементам. Обеспечить его гомогенизацию (напр., при нагреве под закалку легированных сталей) можно путем изотермической выдержки, дозируя передаваемую энергию за счет автоматического регулирования электрических режимов нагрева. Такое регулирование не представляет принципиальных трудностей.

- При быстром нагреве зерно аустенита не успевает вырасти до значений, характерных для термической обработки с нагревом в печи, его размер соответствует 11 - 12 баллам стандартной шкалы, в то время как при печном нагреве - 7 - 8 баллам.

- Исходная структура должна быть дисперсной. Наличие крупных зерен феррита вынуждает сильно (на 100 - 150^оС) повышать температуру нагрева, что приводит к интенсивному росту зерна и ухудшает свойства (особенно вязкость) стали в закаленном состоянии.

Для измельчения ферритного зерна целесообразно перед электронагревом под закалку подвергать доэвтектоидные стали предварительной термообработке - нормализации. Нормальная структура доэвтектоидной стали позволяет получить мелкое зерно аустенита (11 - 12 баллов) в широком диапазоне скоростей нагрева (от 2^оС/с и выше).

- Ввиду неоднородности и мелкозернистости переохлажденный аустенит обладает пониженной устойчивостью к распаду, поэтому при закалке необходимо применять интенсивное охлаждение - водяной душ или быстродвижущийся поток воды.

- Применение электронагрева позволяет коренным образом повысить культуру производства, механизировать и автоматизировать процесс термообработки непосредственно в линии механической обработки деталей. Наряду с этим электронагрев, при правильном его использовании, способен обеспечить существенно более высокие эксплуатационные свойства термически упрочненных деталей машин, их надежность и долговечность.

1.3 Факторы, обеспечивающие высокую конструктивную прочность изделий после закалки электронагревом

Для целей ТО электронагрев применяют в основном для закалки деталей машин и оборудования, а также для рекристаллизационного отжига проката на металлургических заводах.

В наибольшей степени преимущества электронагрева реализуются при выполнении поверхностной и объемно-поверхностной закалки деталей.

Поверхностное упрочнение целесообразно для широкой номенклатуры деталей, работающих на изгиб, кручение, при контактных нагрузках, т.е. в тех случаях, когда рабочие напряжения максимальны на поверхности и близки к нулю в центре поперечного сечения. Поверхностное упрочнение наиболее эффективно для деталей, работающих при многократно повторяющихся (циклических) нагрузка, таких как шестерни, торсионные валы и др.

Высокий комплекс свойств реальных изделий (конструктивная прочность) обеспечивается:

- В результате измельчения зерна аустенита и соответственно кристаллов мартенсита, при электронагреве размер зерна аустенита находится в пределах 11 - 14 баллов, что в 15 - 50 раз по площади меньше, чем при обычных режимах печного нагрева. Это значительно повышает прочность и вязкость закаленной стали. Для обеспечения мелкозернистости аустенита следует правильно назначать режимы нагрева (избегая перегрева), использовать дисперсную структуру и наследственно мелкозернистые стали, выплавленные с добавками алюминия, титана, ванадия, ниобия и др. элементов, образующих дисперсные термически стойкие частицы второй фазы, служащих препятствием для роста зерна аустенита.

- За счет резкого закалочного охлаждения душем или потоком воды подавляется частичный распад мартенсита в процессе его образования; в твердом растворе фиксируется наибольшее количество углерода, В результате достигается повышенная твердость закаленной стали, сохраняющаяся в некоторой степени и после низкого отпуска.

- В результате создания в поверхностных слоях остаточных напряжений сжатия до 300 - 700 МПа, повышающих усталостную прочность деталей и снижающих чувствительность к поверхностным концентраторам напряжений (резким переходам сечений й, дефектам поверхности и др.).

Следует иметь в виду, что если проводят местную закалку определенного участка детали, то на границе этого участка с остальной поверхностью детали возникает пик растягивающих напряжений и эта зона при эксплуатации не должна быть нагружена. По этой причине необходимо, чтобы закаленный слой охватывал галтели в местах переходов сечений (выступов, буртиков, щек коленчатых валов), если эта зона детали является нагруженной в процессе эксплуатации.

1.4 Нагрев и структурные превращения при нагреве

Закономерность нагрева. Особенностью ВЧ индукционного нагрева металлов является генерирование тепловой энергии непосредственно в нагреваемом изделии. Такой нагрев определяет характер изменения температуры поверхности и распределение температуры по сечению нагреваемого изделия. При поверхностной закалке применяют режимы, обеспечивающие нагрев до температуры закалки за время от нескольких секунд до десятых долей секунда. При этом выдержка в большинстве случаев недопустима или нежелательна, т.к. теряется эффект поверхностного нагрева.

Время пребывания металла в области температур фазовых превращений в первую очередь зависит от скорости нагрева, которая не является постоянной во всем интервале температур. Она изменяется вследствие изменения его сопротивления и магнитной проницаемости стали. Удельное сопротивление стали при нагреве растет и при достижении температуры закалки увеличивается по сравнению с исходным в 5 - 6 раз. Магнитная проницаемость при повышении температуры падает. Выше точки Кюри она становится равной единице. Исходная магнитная проницаемость стали зависит от напряженности магнитного поля и в условиях индукционного нагрева составляет от 5 до 20. Одновременное изменение удельного сопротивления и магнитной проницаемости по мере повышения температуры в большинстве случаев приводит к уменьшению передаваемой мощности при переходе через точку Кюри, если напряженность магнитного поля остается постоянной.

Кроме изменения физ. свойств на процесс нагрева стали влияют фазовые превращения, сопровождающие поглощением тепла, и тепловое излучение, которое резко увеличивается при высоких температурах поверхности изделия. Тепловое излучение особенно ощутимо при применении режимов нагрева с малой мощностью, при которых подводимая к изделию мощность будет компенсировать только потери на излучение, и температура поверхности будет стабилизироваться на определенном уровне. Такие режимы часто применяются при высокочастотной термической обработке со сквозным или глубинным прогревом.

В результате комплексного действия перечисленных факторов (изменение физических свойств стали, фазовые превращения, тепловое излучение) кинетические кривые нагрева поверхности изделия чаще имеют перегиб в интервале температур 700 - 800^оС. Процесс нагрева разделяется на начальный этап с относительно большой почти и почти постоянной скоростью нарастания температуры и этап замедленного нагрева выше температуры потери сталью магнитных свойств .

Таким образом первый этап нагрева - это нагрев до температуры начала фазовых превращений t_к; он может характеризоваться начальной скоростью нагрева х_н. Второй этап - нагрев от температуры начала фазовых превращений до конечной температуры t_з - характеризуется средней скоростью в области фазовых превращений х_ф. Средняя скорость нагрева от начала нагрева до конечной температуры х_ср не всегда объективно характеризует процесс, т.к. зависит от соотношения х_н и х_ф, т.е. от настройки системы.

На кривой нагрева, кроме перегиба в период протекания фазовых превращений, во многих случаях наблюдается площадка, обусловленная фазовым превращением П - А.

Распределение температуры по сечению стального изделия при индукционном нагреве зависит от следующих факторов: глубины проникновения тока в металл, теплопроводности стали, скорости нагрева, температуры поверхности, размеров и формы изделия.

Глубина проникновения тока в металл ? зависит от частоты тока и физических свойств металла. В начале нагрева тепло выделяется в слое ?, равном глубине проникновения тока в холодный металл, обладающий ферримагнитными свойствами (табл.).

Когда температура поверхностного слоя металла достигает точки Кюри, магнитная проницаемость станет близкой к единице - повышение температуры замедляется. Значительная часть энергии будет выделяться в более глубоких слоях, еще обладающих ферримагнитными свойствами. Глубина проникновения тока будет увеличиваться до тех пор. Пока не достигнет значения, при котором почти вся подводимая энергия будет поглощаться в горячем неферромагнитном слое. Такая глубина обычно называется горячей глубиной проникновения тока в металл ?_к и для стали в несколько раз больше холодной глубины проникновения тока ?.

При нагреве на глубину, близкую к глубине проникновения тока в горячий металл ?_к или меньшую плотность используется особенность индукционного метода - глубинный нагрев, т.е. нагрев непосредственным генерированием тепла в слое заданной толщины:



Частота, гц	Глубина проникновения, мм
	Медь при 15оС	Сталь при 15оС м = 10 ч 40	Сталь при 800оС м = 1
50 500 2500 10000 5000 250000	10,0 3,0 1,3 0,7 0,3 0,13	10,0 - 5,0 3,0 - 1,5 1,5 - 0,7 0,70 - 0,35 0,30 - 0 .15 0,15 - 0,07	70,8 22,0 10,0 5,0 2,2 1,0

Глубина проникновения тока в металл зависит от частоты тока (табл.). При нагреве током звуковой частоты горячая глубина проникновения тока в металл составляет несколько мм.

Структурные превращения в углеродистой стали при быстром нагреве

Превращение П > А при повышенных скоростях нагрева начинается при температуре, мало отличающейся от равновесной. Теоретически температура превращения или точка А_с1 должна повышаться при увеличении скорости нагрева, практически для углеродистой стали это повышение невелико и часто находится в пределах точности измерений. Превращение П > А при скоростном нагреве заканчивается при температурах 725 - 735^оС и протекает тем быстрее, чем больше интенсивность нагрева.

Максимально возможная скорость выравнивания концентрации углерода в процессе превращения главным образом определяется дисперсностью структуры. Так при температуре А₁ + 5^оС длительность превращения сорбитообразного перлита с межпластинчатым расстоянием 0,25мкм составляет 0,1с, а при расстоянии 1мкм - 1,8с.

Критический интервал перлитного превращения зависит от скорости нагрева, Чем выше скорость нагрева, тем шире этот интервал и тем выше температура, при которой заканчивается процесс. В общем виде это может быть распространено на эвтектоидную сталь с любой исходной структурой. Однако в стали с дисперсной структурой интервал превращений узок и раздвоение процесса становится ощутимым лишь при очень больших скоростях нагрева.

Влияние скорости нагрева на положение критической точки А_С3. В доэвтектоидной стали при любых скоростях нагрева в первую очередь происходит превращение в аустенит перлитных участков. Лишь после этого происходит превращение избыточного феррита. При больших скоростях нагрева растворение феррита заканчивается при значительно более высоких температурах, чем при медленном нагреве.

Влияние скорости нагрева на положение критической точки А_см. При быстром высокочастотном нагреве полное растворение вторичного цементита смещается в область более высоких температур. При быстром нагреве после растворения цементитной сетки аустенит имеет сильно выраженную неравномерность концентрации углерода в растворе гораздо большая, чем в доэвтектоидной стали.

Положение точки Кюри при быстрых нагревах. Температура магнитного превращения феррита не зависит от скорости нагрева и равна 768^оС. Значение точки Кюри учитывается при расчете электромагнитных процессов индукционного нагрева. Практически для всех углеродистых сталей принято одно значение 750^оС.

Гомогенизация аустенита. Аустенит, полученный после быстрого индукционного нагрева, характеризуется неоднородностью концентрации углерода. При этом различают микронеоднородность, т.е. неравномерность концентрации углерода между зернами, и субмикроскопическую, внутризеренную неоднородность.

Рост зерна аустенита. В результате перекристаллизации стали при быстром нагреве происходит измельчение зерна. В зависимости от состава стали степень измельчения зерна и роль быстрого нагрева могут быть различны. При закалке высокоуглеродистой стали легко получить структуру безигольчатого мартенсита. В доэвтектоидной стали получение мелкого зерна аустенита и безигольчатого мартенсита затруднительно. Однако при быстром нагреве можно получить более мелкое зерно аустенита, чем при медленном нагреве.

К общим достоинствам установок скоростного нагрева относят: простоту конструкции; отсутствие необходимости использовать дорогостоящие и часто сложной конструкции нагревательные камеры и транспортирующие механизмы; возможность осуществлять мало- и безокислительный нагрев изделия без применения искусственных атмосфер; высокую производительность; возможность встраивать установки в поточные производственные линии; получение в изделиях более мелкозернистой микроструктуры и, как следствие, более высокого комплекса свойств. Недостатки в каждой установке скоростного нагрева индивидуальны и будут рассмотрены нами далее.

Сущность метода поверхностной закалки с нагревом ТВЧ заключается в следующем. При пропускании ТВЧ через проводник - медный индуктор (1) (рис.42) вокруг него возникает переменное магнитное поле, силовые линии (3) которого пронизывают помещенную в индуктор деталь (2). Источником питания служат машинные генератор (до 10000Гц) и ламповые (до 100000Гц), а также тиристорные преобразователи (до 10000Гц). Способ нагрева токами высокой частоты основан на физическом явлении, состоящем в том, что электрический ток высокой частоты, проходя по проводнику (индуктору), создает вокруг него электромагнитное поле. Если в поле, создаваемое проводником, поместить металлическую деталь, то в ней будут индуктироваться токи (вихревые или токи Фуко), характерной особенностью которых является концентрация их на поверхности металла. Если в зону этого поля поместить стальную деталь, подлежащую нагреву, то в ней будет возбуждаться той же частоты индуктированный ток, который концентрируется в небольшом поверхностном слое и вызывает нагрев этого слоя до высокой температуры. Индуктированный переменный ток распределяется по сечению проводника (нагреваемого изделия) неравномерно; в основном он проходит по поверхности проводника. Это явление называется поверхностным эффектом или скин-эффектом.

Высокая плотность токов на поверхности изделия вызывает нагрев ее до температур, при которых возможны фазовые превращения в твердом состоянии. Таким образом, если внутри индуктора поместить стальное изделие и пропустить по индуктору токи высокой частоты, то в нагретых поверхностных слоях изделия произойдет превращения перлита в аустенит. После быстрого охлаждения на изделии образуется закаленный поверхностный слой, обладающий высокой твердостью, износостойкостью и выносливостью.

Основными параметрами индукционного нагрева являются: температура, скорость нагрева и глубина проникновения тока.

Температура, а, следовательно, и скорость нагрева ТВЧ при закалке зависит от количества выделившегося тепла, которое можно определить по уравнения:

,

Где Q - количество тепла, дж;

I - сила тока, а;

R - сопротивление проводника, ом;

ф - время воздействия тока, сек.

Изменяя силу тока І, получают необходимую температуру нагрева и, следовательно, скорость нагрева поверхностного слоя изделия. Скорость нагрева ТВЧ весьма велика по сравнению с нагревом в печах или печах-ваннах и составляет от 30 до 1000^о/сек.

Переменный ток распределяется неравномерно по сечению детали и протекает преимущественно в поверхностных слоях (поверхностный эффект). При этом около 87% всей тепловой энергии выделяется в слое, характеризуемом глубиной проникновения тока д.

Другим важным параметром при электрическом нагреве является глубина проникновения тока, практически определяющая толщину закаленного слоя. Глубина проникновения тока д (или толщина слоя) определяется по формуле:

, см,

Где с - удельное электрическое сопротивление, Ом·мм²/м;

м - магнитная проницаемость, Гс/Э;

f - частота тока, Гц.

Глубина проникновения магнитного потока и соответственно толщина нагреваемого вихревыми токами поверхностного слоя увеличивается с уменьшением частоты и магнитной проницаемости металла и увеличением удельного электросопротивления.

С повышением температуры металла с возрастает, а м уменьшается, поэтому глубина проникновения тока Фуко в изделие с повышением температур, т.е. при «горячем режиме» увеличивается и может быть приближенно определена по формуле:

, см.

Глубина проникновения тока при «горячем режиме» может быть принята за глубину индукционного нагрева, т.к. в этом случае выделяется основная часть энергии до 90%.

Оптимальную частоту тока для индукционного нагрева на требуемую глубину изделия различной конфигурации определяют либо по графикам (рис.1.130), имеющимися в справочниках, либо по эмпирическим формулам:

f = 5·10⁵/д² - для изделий сложной конфигурации (с выступами и впадинами и т.п.);

f = 5·10⁴/д^{2 -} для изделий простой формы (плоских, тел вращения и т.п.;

f = 2·10⁶/m² - для зубчатых колес с модулем m?8.

Превышать определенную по формуле или графикам частоту не рекомендуется, т.к. в противном случае увеличивается время нагрева и резко снижается к.п.д. Для ТО металлопродукции с индукционного нагрева используют в основном три диапазона частот 60000 - 80000Гц, получаемых от ламповых генераторов, более высокие не используют, т.к. они входят в диапазон радиочастот; 1000 - 10000Гц, получаемых от машинных генераторов или 1000 - 4000Гц от тиристорных преобразователей;50Гц с питанием от сети. Указанные диапазоны частот целесообразно применять для изделий соответственно: диаметром менее 30мм и толщиной нагретого слой менее 2мм; диаметром 30 - 150мм и толщиной нагретого слоя более 2мм; диаметром более 150мм для поверхностного сквозного нагрева.

Следовательно, с увеличением частоты тока глубина проникновения индукционных токов уменьшается. Регулируя частоту тока, можно получить закаленный слой любой глубины. При поверхностной закалке глубина закаленного слоя обычно доходит до 3мм.

Характер изменения м и с материала детали с повышением температуры определяет особенности кинетики индукционного нагрева. В стали это приводит к замедлению нагрева поверхности при достижении температур 730 - 770^оС, что связано с потерей сталью ферромагнитных свойств вследствие фазовых превращений (образования парамагнитного аустенита) или превышения точки Кюри феррита. Относительная магнитная проницаемость становится равной единице, возрастает глубина проникновения тока и тепловая энергия начинает выделяться в более толстом слое.

Распространение тепла в глубоколежащие слои осуществляется в результате теплопроводности.

Переменный ток создает вокруг проводника, по которому он течет, магнитное поле той же частоты. Напряженность поля вокруг проводника одинакова, а потому незначительна. Если проводник согнуть в кольцо, то возникает кольцевой эффект (рис.1.129), выражающийся в том, что около 95% переменного магнитного поля концентрируется внутри кольца и только около 5% рассеивается в окружающее пространство. Аналогичная, но плоская концентрация магнитного поля происходит при экранировании проводника колпакообразным ферромагнетиком. (Привести график индукционного нагрева, из которого следует, что более быстрый нагрев происходит при температурах ниже точки Кюри).

Выше этой температуры нагрев замедляется в связи с потерей сталью магнитных свойств, увеличением удельного сопротивления и фазовыми превращениями.

В зависимости от применяемой частоты различают повышенную частоту - от 500 до 10000 гц и высокую частоту - от 50000 до 1млн. гц.

Для осуществления максимальной скорости нагрева необходимо выбирать частоту тока так, чтобы «горячая» глубина проникновения была близка к толщине закаливаемого слоя; последняя назначается с учетом требований, предъявляемых к данному изделию при эксплуатации. Как видно из уравнения, с увеличением частоты тока глубина его проникновения, а, следовательно, и глубина нагретого слоя уменьшаются. Поэтому для получения тонкого поверхностного слоя применяют токи высокой частоты.

На практике для индукционного нагрева деталей под ТО используют следующие диапазоны частот электрического тока: 1,5 - 8 кГц - в этом случае глубина закалки составляет <2мм; 50 - 500Гц - глубина закалки >12мм. Ток соответствующей частоты получают с помощью специальных высокочастотных генераторов.

Различают глубинные нагрев под поверхностную закалку, когда глубина проникновения тока в металл больше глубины закаленного слоя, и поверхностный, при котором глубина проникновения тока в металл меньше глубины закаленного слоя.

Ниже приведены значения наиболее выгодной глубины закаленного слоя и возможных пределов ее изменения для различных частот:

Частота, кГц	8,0	2,5	1,0	0,05
Глубина закаленного слоя, мм:
наименьшая	1,3	2,4	3,6	17
Наибольшая рекомендуемая	5,5	10	16	70
оптимальная	2,7	5	8	34

1.5 Оборудование и устройства для термической обработки при нагреве СВЧ и ТПЧ

Нагревательные установки классифицируют по двум основным признакам: виду нагрева, природе источника тепла.

По виду нагрева изделий нагревательные установки подразделяют на две групп: для нагрева поверхностных слоев изделий; для сквозного нагрева изделий. В установках обеих групп нагрев осуществляется с гораздо более высокими скоростями, чем в печах. Поэтому потери тепла в окружающее пространство незначительны. Из-за кратковременности процесса поверхностного нагрева и вследствие малых тепловых потерь в окружающее пространство, нагревательные установки для поверхностного нагрева, как правило, не имеют теплоизолирующей камеры. Установки для сквозного нагрева с относительно продолжительным временем нагрева имеют в своем составе теплоизолированную камеру.

В зависимости от природы источника тепла нагревательные установки подразделяют на установки с нагревом внутренним и внешним источником тепла. К первым относятся установки индукционные, электроконтактные, прямого электронагрева (пропусканием тока через изделие). Ко вторым относятся установки с нагревом поверхности газокислородным пламенем и в электролитах.

В комплект оборудования высокочастотной установки входят: генератор, закалочный станок для размещения, вращения или движения детали с учетом ее формы и размеров, набор водоохлаждаемых индукторов с отдельным или встроенным спрейером, охлаждающие устройства, контрольно-измерительная аппаратура и др. В отдельных случаях роль спрейера выполняет не водоохлаждаемый в процессе нагрева индуктор, в который по завершению нагрева детали подается вода, истекаемая на деталь через отверстия на внутренней поверхности индуктора.

Генераторы и тиристорные преобразователи универсальны по назначению. Один и тот же генератор или тиристорный преобразователь может использоваться для питания самых разнообразных закалочных станков и индукторов.

В установках с ламповыми генераторами (рис.92) переменный ток из сети 220/380. В через контакты блокировки и рубильник поступает на высоковольтный трансформатор, где трансформируется в ток напряжением 110-15кВ, который подается на ламповый трехфазный выпрямитель, где преобразуется в постоянный ток высокого напряжения, который подается на электроды мощной генераторной лампы, преобразуется в переменный ток высокой частоты и высокого напряжения. Напряжение воздушным трансформатором понижается до 80 - 8В, сила тока повышается до нескольких тысяч ампер. Такой ток подают на индуктор, обслуживаемый специализированным станком для размещения, перемещения и вращения обрабатываемой детали. В зависимости от мощности генератора, нагрев под закалку поверхности деталей осуществляют или одновременным или непрерывно-последовательным способом. Мощность, подаваемая на индуктор и деталь, скорость движения детали в индукторе регулируется, обеспечивая тем самым регулирование температуры и глубины нагрева детали, производительности установки. Во время работы установки и проведения закалки запрещается касаться индуктора, детали, проводов, шин, приближать лицо к зоне нагрева детали.

В отличие от машинных генераторов в ламповых генераторах отсутствуют вращающиеся и трущиеся детали.

Принципиальная схема работы лампового генератора показана на рис.92, а и б. К первичной обмотке трансформатора генератора подводится переменный ток промышленной частоты и низкого напряжения (220 и 380в). Во вторичной обмотке 2 трансформатора напряжение тока повышается примерно до 8000в. Затем переменный ток высокого напряжения проходит через газовый выпрямитель3 и превращается в постоянный ток высокого напряжения. Далее постоянный ток подается на анод 4 генераторной лампы, дающей ток высокой частоты. Полученный ТВЧ имеет высокое напряжение и не пригоден для питания индуктора, так как требует увеличения зазора между индуктором и нагреваемой деталью и, следовательно, понижает КПД нагрева. Поэтому ток подвергается еще вторичному преобразованию в высокочастотном трансформаторе 5, во вторичной обмотке которого напряжение понижается до 1000в. Отсюда ток поступает в индуктор 6 и нагревает деталь 7 . Напряжение на индукторе зависит от типа установки и размеров индуктора и составляет от 30 до 300в. Как видно из схемы, ток а ламповых генераторах претерпевает несколько преобразований. Каждое преобразование вызывает потерю мощности, вследствие чего КПД лампового генератора не превышает 60%. Индукторы для ламповых генераторов изготовляют по тому же принципу, что и для машинных генераторов

В установках с машинным генератором (рис.90) переменный ток промышленной частоты 50Гц из сети 220/380В подают на электродвигатель, вал которого соединен с валом высокочастотного генератора, или на электромотор, мотор - генератора (у которого электромотор и высокочастотный генератор имеют общий вал и монтируются в одном агрегате). При работе мотор-генераторов их обмотки нагреваются, поэтому мотор-генераторы охлаждают воздухом или оборудуют специальным устройством с водяным охлаждением. Генератор вырабатывает переменный ток напряжением 1500 - 375В, частотой 2500-10000Гц, который через контактор подается на закалочный трансформатор, снижающий напряжение до 80-8В, и далее на индуктор, обслуживаемый специализированным или приспособленным станком для размещения, закрепления, перемещения или вращения обрабатываемой детали. В закалочный контур параллельно первичной обмотке закалочного трансформатора включают конденсаторные батареи.

Закалочные станки, как правило, сугубо индивидуальны, предназначены для закалки только данной детали (напр., только коленчатого вала данной модели, или только распределительного вала данной модели и т.п.) или групп однотипных деталей (напр., коленчатых валов с разными диаметрами шеек, или зубчатых колес близких модулей и т.п.). Более того, для одних и тех же деталей используют станки разных конструкций. Напр., для поверхностной закалки коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания применяют станки с последовательной закалкой каждой шатунной и коренной шейки, станки с одновременной закалкой сначала всех коренных шеек, а затем шатунных, станки с одновременной закалкой всех шеек и т.п. Для поверхностной закалки зубьев зубчатых колес, в зависимости от их модуля, применяют станки как для всего зубчатого венца (мелко и среднемодульные зубчатые колеса), так и непрерывно-последовательной закалки каждого зуба отдельно (крупномодульные зубчатые колеса) и т.д. Скорость и равномерность нагрева и, как следствие, глубина, структура и свойства закаливаемого поверхностного слоя очень сильно зависят от постоянства и величины воздушного зазора между нагреваемой поверхностью и поверхностью индуктора, которая обычно составляет 2-5мм. Обеспечить симметричность и постоянство зазора при стационарном положении детали и индуктора практически невозможно. Поэтому станки для поверхностной закалки оснащают механизмами для вращения или перемещения детали относительно индуктора, или индуктора относительно детали.

Индуктор является важной частью высокочастотной установки, в значительной мере определяет ее к.п.д. и конфигурацию закаленного слоя в изделиях. Изготовляют индукторы чаще всего из медных трубок круглого или прямоугольного сечения. Индукторы из трубок прямоугольного сечения имеют более высокий к.п.д., т.к. при таком сечении внутренняя поверхность индуктора больше. Толщина стенки трубки индуктора зависит от режима работы и частоты тока. Если по условиям эксплуатации индуктор охлаждается водой в течение всего периода работы и питается током частоты 1000Гц или 8000Гц, толщина стенки трубки должна быть соответственно 2,7 - 3мм и 1,1мм. Если индуктор используется и как спрейер, вода в него подается только в период закалки детали, толщина стенки активной части индуктора должна быть 4 - 6мм, такие индукторы изготавливают или из медных трубок, или литьем, или сваркой из медных полос. Либо индуктор изготавливают двуполостным: одна полость (внутренняя) без отверстий для истечения воды постоянно охлаждается водой, а во вторую выполняющую роль спрейера и имеющую отверстия для истечения вода на деталь, воду подают только при закалке. В неохлаждаемых водой индукторах толщину стенки увеличивают до 8 - 10мм.

Индукторы изготовляют одно- или многовитковыми в зависимости от вида обрабатываемой детали. Во избежание замыкания витков в постоянно водоохлаждаемых индукторах витки изолируют асбестовым шнуром, пропитанным жидким стеклом. В некоторых случаях, напр., при закалке шеек коленчатых валок, индукторы выполняют разъемными или раскрывающимися на петле. Разновидность индукторов великое множеств, т.к. для каждой разновидности закаливаемой детали требуется соответствующий ей индуктор. Однако все разновидности индукторов базируется на четырех основных видах:

- одно- или многовитковые охватывающие цилиндрические индукторы для закалки наружной поверхности цилиндрических изделий;

- одно- или многовитковые цилиндрические индукторы для закалки внутренних поверхностей цилиндрических изделий или цилиндрических отверстий;

- петлевые U - W образные индукторы для закалки плоскостей;

- индукторы в виде обычной или удлиненной спирали Архимеда для закалки плоскостей. На рис.1.131. приведены наиболее распространенные разновидности конструкций одно- и многовитковых индукторов и их назначение, а на рис.1.132 - 1.134 - схемы поверхностной закалки с применением некоторых приведенных индукторов. При поверхностной закалке плит (рис. 1.132,б) во избежание перегрева краев плиты ширина индуктора должна быть меньше ширины плиты на величину удвоенного зазора между плитой и индуктором. Для предотвращения попадания струй воды из спрейера под индуктор на еще не нагретую поверхность плиты, непрерывно-последовательную закалку плит проводят или в вертикальном положении, перемещая индуктор и спрейер снизу вверх (при неподвижной плите) или перемещая плиту сверху вниз (при неподвижных индукторе и спрейере).

Коэффициент полезного действия индуктора (з) составляет для поверхностного нагрева з_t=0,6 - 0,7, а для сквозного нагрева труб з_t=0,8 - 09.

Частота тока f_опт, соответствующая наиболее высокому КПД нагрева может быть определена по формуле:

f_опт = (2,5…9)Ч10^-8Чс/м_дЧd_д²,

где с - удельное электросопротивление металла, Ом·см; м_д - магнитная проницаемость металла; d_д - наружный диаметр детали.

Наряду с несомненными достоинствами установкам ТВЧ присущи и специфические недостатки: высокая стоимость; сложность; высокий расход меди; высокие эксплуатационные расходы; радиопомехи; ограниченный сортамент обрабатываемых сталей; вредное воздействие на человека магнитных высокочастотных полей; потребность в рабочих более высокой квалификации.

1.6 Поверхностная закалка при индукционном нагреве

По технике выполнения различают поверхностную закалку одновременным и непрерывно последовательным способом.

Закалку непрерывно-последовательным способом применяют в основном для поверхностного упрочнения при поверхностном нагреве длинномерных деталей постоянного сечений (типа валков, ходовых винтов). Нагреваемая деталь непрерывно движется через узкий индуктор, при выходе из индуктора нагретый участок охлаждается душем. При этом способе закалки наблюдается малая деформация изделий (т.к. одновременно нагреваются лишь отдельные небольшие участи детали). Недостаток способа - невысокая производительность и трудность получения глубоких закаленных слоев.

Поверхностная закалка одновременным способом позволяет выполнить закалку разнообразных деталей сложной формы, благодаря чему весьма широко используется в промышленности.

Температура нагрева определяется с помощью фотоэлектрического пирометра (при одновременном нагреве) и с помощью оптического пирометра (при непрерывно последовательном способе закалки).

В поверхностно закаленной детали не весь нагретый слой полностью закален. Вследствие специфики распределения тока высокой частоты и теплоотвода наружный слой подвергается полной закалке, затем идет слой, получивший неполную закалку, а между этим слоем и сердцевиной находится зона отпуска. Толщина полностью закаленного слоя представляет собой глубину закалки. Слой, полученный в результате неполной закалки и отпуска, называют переходной зоной. Глубина закаленного слоя и соотношение между закаленной и переходной зонами в основном определяются режимом закалки: частотой тока, продолжительностью и температурой нагрева.

1.7 Технология объемно-поверхностной закалки при индукционном нагреве

Этот метод был предложен К.З. Шепеляковским и предназначен для упрочнения ответственных тяжелонагруженных деталей машин.

Принцип метода состоит в согласовании прокаливаемости применяемой стали с размерами упрочняемых сечений детали. Особенности объемно-поверхностной закалки:

1. Детали изготавливают из сталей, прокаливаемость которых должна быть ограничена таким образом, чтобы при глубоком (сквозном) нагреве и резком закалочном охлаждении на мартенсит закаливался бы лишь поверхностный слой требуемой толщины, аустенит в глубинных слоях при этом претерпевает распад на структуру сорбита или троостита закалки. Таким образом за один цикл нагрева и охлаждения в деталях достигается сочетание упрочненного поверхностного слоя с высокой твердость (обычно не ниже НRС 62) при одновременном упрочнении глубинных слое на твердость НRС 30 - 45. При этом в поверхностном слое возникают остаточные сжимающие напряжения (300 - 700 МПв), повышающие усталостную и контактно-усталостную прочность деталей. Прокаливаемость стали выбирают таким образом, чтобы глубина слоя закалки до структуры полумартенсита составляла о,15 - 0,25 от диаметра или толщины упрочняемого сечения при заданных его размерах.

Поскольку прокаливаемость стали является основным фактором, определяющим глубину закаленного слоя, при объемно-поверхностной закалке применяют стали с ограниченной по верхнему и нижнему пределам прокаливаемостью, названные сталями с регламентированной (РП) или пониженной (ПП) прокаливаемости.

В настоящее время в промышленности применяют стали марок 58(55ПП) (для шестерен среднего модуля, крестовин кардана грузовых автомобилей и др. деталей с размерами сечения упрочняемых элементов 10 - 20мм), 47ГТ (для полуосей грузовых автомобилей с диаметром стеблей 45 - 50мм), ШХ4 (для колец подшипников качения с толщиной стенки 14 - 20мм). Эти стали выплавляют с добавками элементов-модификаторов (алюминия, титана) и в связи с этим они имеют малую склонность к росту аустенитного зерна при нагреве под закалку. Для уменьшения прокаливаемости и ее стабилизации в сталях ПП и РП снижено и поддерживается в более узких пределах содержание постоянных примесей (кремния, марганца, никеля, меди). Перечисленные марки не исчерпывают возможную номенклатуру сталей для объемно-поверхностной закалки и явились лишь первыми, созданными за короткий период существования этого метода закалки. Эффект объемно-поверхностной закалки может быть получен на сталях с весьма широким диапазоном содержания углерода (0,2 - 1,2%)

2. Детали подвергают сравнительно медленному индукционном нагреву (за время порядка 20 - 180с) на глубину, не менее чем в два раза превышающую требуемую глубину закалки. Сечения зон, определяющих нагрузочную способность деталей (например, зуба шестерни, поперечное сечение торсионов и др.), прогреваются, как правило, насквозь.

Применение сравнительно медленного индукционного нагрева (при удельной мощности 0,05 - 0,2 кВт/см²) небольшую мощность нагревательных установок и упрощает конструкцию индукторов (так шестерни среднего модуля можно нагревать в индукторе с цилиндрической поверхностью).

Режим аустенитизации выбирают так, чтобы обеспечить образование аустенита и его гомогенизацию при величине аустенитного зерна не крупнее 11 балла.

3. Закалочное охлаждение осуществляют быстродвижущимся потоком воды или водяным душем. По сравнению с душем охлаждение потоком воды является более равномерным; охлаждающие устройства не требуют столь тщательного ухода.

Многолетняя промышленная практика использования объемно-поверхностной закалки для упрочнения тяжелонагруженных деталей машин (шестерен, полуосей, деталей подшипников качения) показала высокую конструктивную прочность таких деталей, не уступающих (а зачастую и превосходящих) по надежности и долговечности цементованным и нитроцементованным деталям. При этом обеспечивается экономия легирующих элементов за счет снижения степени легирования применяемых сталей, резко уменьшается трудоемкость термической обработки.

1.8 Отпуск стали после поверхностной закалки при индукционном нагреве

Поверхностно-закаленные детали подвергают, как правило, низкому отпуску при 150 - 250^оС. Такой отпуск обеспечивает повышение в 1,5 - 2 раза прочности закаленной стали, сохраняет в поверхностных слоях остаточные напряжения сжатия и не приводит к существенному снижению твердости.

Отпуск в основном выполняют в шахтных печах производительностью 1,5 - 3ч в зависимости от размеров изделия. Находит также применение электроотпуск при индукционном нагреве. Отпуск длительностью десятка секунд осуществляют при температуре на 50 - 100^оС выше температуры обычного нагрева.

Весьма эффективен самоотпуск, температура которого должна быть выше на 75 - 85^оС для стали 45 и 50 - 65^оС для стали 40Х. Технологически самоотпуск очень неудобен.

Контроль качества закалки:

1. Твердость поверхности - либо твердомерами, либо тарированными напильниками;

2. Отсутствие трооститных пятен на закаленных поверхностях путем травления;

3. Отсутствие трещин (внешним осмотром, дефектоскопией);