Токи высокой частоты обработка металла

НПП «ЭЛСИТ»

Продукция «ЭЛСИТ»

• СПРАВОЧНИК
  • Термообработка
  • Индукционная пайка
  • Плавка
  • Закалка ТВЧ

• Карта сайта
• ЗАДАТЬ ВОПРОС
• Вопрос-Ответ
• Заказать звонок

Термообработка металла токами высокой частоты

Необходимость данной термической обработки заключается в придании твердости металлу исключительно на поверхности, нет необходимости нагревать металла внутри. Металл в процессе эксплуатации работает на трение, кручение, изгиб и прочее. Посредством закалки происходит нагрев металла на поверхности до определенной температуры, впоследствии быстро охлаждается, в итоге металл внутри сохраняет свои первичные свойства, а на поверхности он упрочняется и становится более износостойким.

Термическая обработка при помощи эффективного прогрева высокочастотными токами, придает детали износоустойчивость к трению, сгибанию и истиранию. Поэтому такой способ закалки применяют в массовом производстве, как один из самых оптимальных, который может придать различную степень твердости.

Каким образом происходит термообработка (нагрев металла)

Необходимую деталь размещают в поле электромагнитного воздействия, непосредственно в индуктор, который представляет из себя изделие из медной трубки. Такая трубка выполнена по индивидуальной форме в соответствии с обрабатываемой деталью, при этом индукция производится переменными высокочастотными токами. Такие токи продвигаются к поверхности металла, благодаря появившимся внутри переменным магнитным токам. Выполняется активный прогрев верхних слоев металла, за счет высокой плотности индуктируемых токов.
Индукционная закалка имеет два характерных параметра – это глубина и твердость обрабатываемого слоя материала. Чтобы получить тонкий слой закалки на поверхности изделия, применяется нагреватель с индуктором, мощностью от 40 кВА до 160 кВА и частотой 20 – 40 кГц, или же от 40 — 70 кГц. При закалке слоев с более глубоким проникновением, необходима частота 6 – 20 кГц.

Преимущество закалки ТВЧ поверхностных слоев

Закаливание токами высокой частоты перед другими видами закаливания обладают такими преимуществами:

• Очень высокая твердость закаленного слоя;
• Закалку металла можно проводить на любую необходимую глубину обрабатываемого слоя;
• Отсутствие окалины;
• Возможность обработать деталей с различной конфигурацией;
• Возможность применения полного автоматического режима выполнения процедуры термообоработки.

Вот почему данная закалка отлично зарекомендовала себя. Этот метод обеспечивает высокое качество и прочность изделий, а также дает выполнить данную обработку экономно и с высокой производительностью.

Меры предосторожности работы с установкой ТВЧ

Для того, чтобы работать с токами высокой частоты необходимо придерживаться определенных правил:

• Данные установки должны размещаться в помещениях с обеспечением на местах работы должных уровней облучения и избегать, попадание в помещение лиц, не имеющих отношение к данному процессу;
• Также в помещениях с установками ТВЧ должна быть обеспечена должным образом вентиляция;
• Индуктор нагрева обязан обладать местным ветиляционным отсосом для отвода вредных веществ, которые формируются во время прогрева поверхностей деталей и могут попасть в воздух используемого помещения;
• Все установки с током высокой частоты, в процессе активного применения формируют электромагнитные поля, и соответственно должны применяться в состоянии рассеяния и утраты энергии по минимуму. Установки необходимо оборудовать блокираторами и световой сигнализацией;
• Нельзя специально предотвращать ход работы блокировочных приспособлений и применять оборудование без заземления;
• Подача и снятие деталей лучше автоматизировать и механизировать;
• Если термообработка выполняется посредством нагрева токами высокой частоты в солях, необходимо придерживаться требований по работе в цианистых ваннах, так как они выделяют ядовитые газы;

В цехах, где применяется оборудование ТВЧ необходимо на доступном месте разместить:

• Инструкцию по охране труда;
• Правила предоставления первичной помощи, получившему увечья от работы с электрическим током;
• Оборудование обязательно систематически тщательно проверяется в соответствии с Руководством по эксплуатации;
• Каждый год необходимо проводить измерение электромагнитных полей и заносить результаты проверки в протокол.

Источник

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.

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.

Источник

Технология термообработки ТВЧ

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.

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.

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.

Способы закалки ТВЧ

По выполнению нагрева различают индукционную непрерывно-последовательную закалку и одновременную закалку.

Непрерывно-последовательная закалка применяется для длинномерных деталей постоянного сечения (валы, оси, плоские поверхности длинномерных изделий). Нагреваемая деталь перемещается в индукторе. Участок детали, находящийся в определенны момент в зоне воздействия индуктора, нагревается до закалочной температуры. На выходе из индуктора участок попадает в зону спрейерного охлаждения. Недостаток такого способа нагрева – низкая производительность процесса. Чтобы увеличить толщину закленного слоя необходимо увеличить продолжительность нагрева с помощью снижения скорости перемещения детали в индукторе. Одновременная закалка предполагает единовременный нагрев всей упрочняемой поверхности.

Эффект самоотпуска после закалки

После завершения нагрева поверхность охлаждается душем или потоком воды непосредственно в индукторе либо в отдельном охлаждающем устройстве. Такое охлаждение позволяет выполнять закалку любой конфигурации. Дозируя охлаждение и изменяя его продолжительность, можно реализовать эффект самоотпуска в стали. Данный эффект заключается в отведении тепла, накопленного при нагреве в сердцевине детали, к поверхности. Говоря другими словами, когда поверхностный слой охладился и претерпел мартенситное превращение, в подповерхностном слое еще сохраняется определенное количество тепловой энергии, температура которой может достигать температуры низкого отпуска. После прекращения охлаждения эта энергия за счет разницы температур будет отводиться на поверхность. Таким образом отпадает необходимость в дополнительных операциях отпуска стали.

Конструкция и изготовление индукторов для закалки ТВЧ

Индуктора изготавливают из медных трубок, через которые в процессе нагрева пропускается вода. Таким образом предотвращается перегрев и перегорание индукторов при работе. Изготавливаются также индукторы, совмещаемые с закалочным устройством — спрейером: на внутренней поверхности таких индукторов имеются отверстия, через которые на нагретую деталь поступает охлаждающая жидкость.

Для равномерного нагревания необходимо изготавливать индуктор таким образом, чтобы расстояние от индуктора до всех точек поверхности изделия было одинаковым. Обычно это расстояние составляет 1,5-3 мм. При закалке изделия простой формы это условие легко выполняется. Для равномерности закалки, деталь необходимо перемещать и (или) вращать в индукторе. Это достигается применением специальных устройств — центров или закалочных столов.

Разработка конструкции индуктора предполагает прежде всего определение его формы. При этом отталкиваются от формы и габаритов закаливаемого изделия и способа закалки. Кроме того, при изготовлении индукторов учитывается характер перемещения детали относительно индуктора. Также учитывается экономичность и производительность нагрева.

Охлаждение деталей может применяется в трех вариантах: водяным душированием, водяным потоком, погружением детали в закалочную среду. Душевое охлаждение может осуществляться как в индукторах-спрейерах, так и в специальных закалочных камерах. Охлаждение потоком позволяет создавать избыточное давление порядка 1 атм, что способствует более равномерному охлаждению детали. Для обеспечения интенсивного и равномерного охлаждения необходимо, чтобы вода перемещалась по охлаждаемой поверхности со скоростью 5-30 м/сек.

Источник

Индукционный нагрев ТВЧ :: Статьи

Закалка ТВЧ. Преимущества и недостатки высокочастотной закалки.

Услуга закалки ТВЧ. На производственной площадке — РФ, г.Томск, ООО «ТЕСЛАЙН ИНДАКТИВ» — мы осуществляем ТВЧ закалку опытных образцов и принимаем заказы на серийную закалку деталей.

При поверхностной закалке высокую твердость и прочность приобретает лишь небольшой, толщиной не­сколько миллиметров, поверхностный слой детали. По­чему же такая закалка во многих случаях оказывается не менее, а иногда даже и более эффективной чем сквоз­ная закалка по всему объему? Это объясняется двумя причинами. Во-первых, в условиях ра­боты в подавляющем большин­стве случаев максимальные на­пряжения возникают на поверх­ности деталей, поэтому, повы­шая твердость и прочность по­верхности, мы тем самым повы­шаем и работоспособность всей детали в целом. Во-вторых, при­менение поверхностной закалки значительно снижает хрупкость детали, особенно, если она имеет, сложную форму, поскольку наря­ду с прочной, твердой поверхно­стью сохраняется сравнительно вязкая, пластичная сердцевина детали, чего нельзя достичь при сквозной закалке.

С помощью токов высокой частоты (ТВЧ) можно провести нагрев поверхностного слоя детали на глуби­ну в несколько миллиметров. Как и почему нагревается поверхностный слой?

Представим себе проводник электрического тока, на­пример в виде медной трубки, свернутой в незамкнутое кольцо. Внутрь такого кольца вставили металлический стержень так, чтобы он не касался трубки. Если теперь концы трубки включить в цепь переменного тока высо­кой частоты, то появится переменное электромагнитное поле такой же частоты. Силовые линии поля будут пронизывать стержень, благодаря чему в нем возникнет пе­ременный ток высокой частоты (рис. 1). Это так назы­ваемые вихревые токи Фуко. Такой способ наведения пе­ременного тока в проводнике без непосредственного включения его в электрическую цепь называется элект­ромагнитной индукцией, а медная трубка, которая ис­пользуется для нагрева, — индуктором. Индукция в пе­реводе с английского значит наведение.

1 — деталь; 2 — индуктор; 3 — силовые линии электро­магнитного поля

Особенностью тока высокой частоты является то, что он проходит не по всему сечению проводника, а только у его поверхности. При этом, чем выше частота тока, тем меньше глубина его проникновения в поверхность. Прохождение тока по проводнику, как известно, сопровождается выделением теплоты. Роль такого проводника выполняет нагреваемая деталь. Поскольку ток проходит только по ее поверхности, то и нагревается не вся де­таль, а лишь ее поверхность. Продолжительность нагре­ва поверхности до закалочной температуры очень не­большая, обычно 1 -10 с. Во избежание нагрева индук­тора внутри его циркулирует проточная вода.

Если нагретую до закалочной температуры поверх­ность детали быстро охладить, например, с помощью во­дяного душа, то произойдет поверхностная закалка. Та­ким образом, закалка ТВЧ , или, как ее иногда называ­ют, индукционная закалка, это по существу поверхност­ная закалка, отличающаяся лишь способом нагрева деталей.

Для получения переменного тока высокой частоты применяют специальные устройства — генераторы. Они бывают машинные и ламповые. Для закалки деталей на небольшую глубину (1-2 мм) удобнее использовать ламповые генераторы. Они имеют частоту до 10 млн. Гц при мощности до 250 кВт. Для закалки на большую глубину (до 10 мм и более) используют машинные генераторы частотой до 10 тыс. Гц и мощностью до 1000 кВт.

Основной отличительной особенностью установки с ламповым генератором является то, что в ней преобразование тока промышленной частоты в ток высокой часто­ты осуществляется с помощью электронной лампы. Важ­ным достоинством таких генераторов является то, что они не имеют вращающихся и трущихся частей, бесшум­ны в работе и не требуют специальных фундаментов.

При закалке ТВЧ применяют три метода: одновре­менный, последовательный, непрерывно-последователь­ный.

Одновременный метод заключается в том, что зака­ливаемая деталь устанавливается в индуктор и нагрева­ется одновременно по всей поверхности, которую нужно закаливать. Этот метод применяют для деталей с не­большой поверхностью (втулок, пальцев, роликов и т. п.). Если деталь круглой формы, то для более равномерного нагрева ее приводят во вращение. После нагрева до тре­буемой температуры индуктор отключается, и автома­тически включается подача охлаждающей воды. Ох­лаждение, как и нагрев, проводится одновременно по всей поверхности. При таком методе обработки целесо­образно охлаждающую воду подавать через спрейерное устройство, смонтированное в самом индукторе. С этой целью внутренняя часть индуктора выполняется в виде двух кольцевых камер. В наружной камере циркулирует вода, охлаждающая индуктор в период нагрева детали, а во внутреннюю вода подается только в период охлажде­ния детали, когда индуктор отключен. На внутренней стен­ке этой камеры, обращенной к поверхности детали, имеет­ся множество отверстий, через которые вода тонкими струйками подается на поверхность детали (рис. 2,а).

Последовательный метод обработки предусматривает последовательную (поочередную) закалку отдельных элементов детали, например шеек коленчатого вала или зубьев крупных шестерен (зуб за зубом). Применение такого метода позволяет упростить конструкцию индук­тора и снизить потребную мощность высокочастотного генератора.

Непрерывно-последовательный метод обработки сос­тоит в том, что индуктор непрерывно перемещается от­носительно детали, а за индуктором движется сблокиро­ванное с ним охлаждающее устройство в виде спрейера (рис. 2, б). Таким образом последовательно нагрева­ется и закаливается вся поверхность детали. Если де­таль имеет круглую форму, то для большей равномерно­сти нагрева она вращается вокруг своей оси.

Такой метод обработки применяют для деталей, име­ющих сравнительно большую закаливаемую поверх­ность, например длинных валов, направляющих станин и др. В этих случаях для одновременного нагрева мощ­ность генератора может оказаться недостаточной, либо индуктор получается неконструктивных размеров. Для закалки этим методом плоских поверхностей применяют петлевые индукторы (рис. 2, в).

Из всего сказанного становится ясным, что для высо­кочастотной закалки кроме установки ТВЧ и индуктора необходимо также иметь, особенно в условиях массового производства, закалочный станок, в котором можно за­креплять и перемещать соответствующим образом обра­батываемую деталь. Для массового и крупносерийного производства все большее распространение получают станки-автоматы и полуавтоматы, а для мелкосерийного и единичного — универсальные станки.

Важную роль при высокочастотной закалке играет правильный выбор способа и среды охлаждения. В боль­шинстве случаев для охлаждения применяют воду, которую подают через душирующие устройства — спрейеры.

Для получения стабильных результатов закалки при охлаждении водяным душем необходимо поддерживать постоянную температуру воды в пределах 20-30°C. С этой целью используют воду не из общей магистрали, а из замкнутой циркуляционной системы, специально предназначенной для закалки. Охлаждающая способность воды при душевой закалке зависит от ее расхода в единицу времени, который, в свою очередь, зависит от давления воды. Непосредственно в спрейере давление обычно не превышает 1 ат.

Равномерность охлаждения во многом зависит от диаметра и взаимного расположения отверстий в спрейере. Эти отверстия диаметром 1,5-2,5 мм располагают на расстоянии 3-7 мм друг от друга.

Интенсивное охлаждение, которое дает водяной душ, в некоторых случаях оказывается нежелательным. Так бывает при закалке деталей сложной формы или деталей, изготовленных из некоторых легированных сталей, склонных к образованию трещин. В таких случаях для охлаждения используют водные эмульсии или масло. На некоторых заводах применяют 20-30%-ный раствор глицерина в воде.

Эмульсию изготовляют путем введения в воду 3- 6% эмульсола. Во избежание всплывания составных частей эмульсии ее нужно интенсивно перемешивать. Эмульсия подается насосами под давлением 2-3 ат.

В ряде случаев хорошие результаты по предупреж­дению трещин получают путем применения масляного душа. При этом, правда, возникают определенные тех­нические трудности: необходимо создавать специальную замкнутую систему подачи масла, поддерживать посто­янную температуру его, предусмотреть усиленную вен­тиляцию для вытяжки дыма, так как возможны вспышки масла в момент подачи его па раскаленную поверхность детали. При непрерывно-последовательной закалке во избежание горения масла нагрев следует осуществлять под слоем масла. Поскольку масло является диэлектри­ком, то это не приводит к замыканию между индуктором и нагреваемой деталью.

Несмотря на все эти трудности, уже созданы и нашли применение полуавтоматические станки для одновре­менной и непрерывно-последовательной закалки, в кото­рых успешно используется устройство с масляным ду­шем.

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, а чем выше температура, тем быстрее оно происходит. Так, например, при печном нагреве со скоростью 2-3°С/с температура нагрева под закалку стали 45 составляет 840-860°С, при нагреве ТВЧ со ско­ростью 250°С/с — 880-920°С, а при скорости 500°С/с — 980-1020°С.

Несмотря на то, что нагрев при высокочастотной за­калке проводится до более высокой температуры, чем при обычной, перегрева металла не происходит. Это объясняется тем, что время высокочастотного нагрева очень короткое, и зерно в стали не успевает вырасти. С другой стороны, благодаря более высокой температуре нагрева и более интенсивному охлаждению твердость после закалки ТВЧ получается выше примерно на 2- 3 единицы по Роквеллу. Это обеспечивает более высокую прочность и износостойкость поверхности детали.

Наряду с этим действует еще один важный фактор, способствующий повышению эксплуатационной прочнос­ти деталей, закаленных с помощью ТВЧ. Это появление на поверхности сжимающих напряжений благодаря об­разованию мартенситной структуры. Чем меньше глуби­на закаленного слоя, тем в большей мере проявляется действие таких напряжений.

Кроме этого, высокочастотная закалка дает и другие важные преимущества: высокую производительность; легкость регулирования толщины закаленного слоя; ми­нимальное коробление; почти полное отсутствие окали­ны; возможность полной автоматизации всего процесса; облегчение условий труда; возможность размещения закалочной установки в потоке механической обработки.

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 меньшем содержании углерода такая твердость уже не достигается, а при большем содержании возни­кает опасность появления трещин в условиях резкого охлаждения водяным душем. Наряду с углеродистыми применяются также низколегированные хромистые, хро­моникелевые, хромокремнистые и другие стали.

Во многих случаях высокочастотная закалка позво­ляет заменить легированные стали более дешевыми — углеродистыми. Объясняется это тем, что такие важные преимущества легированных сталей, как глубокая прокаливаемость и меньшая деформация, для ряда деталей утрачивают свое значение. Так, например, при закалке шестерен с мелким зубом глубокая прокаливаемость да­же нежелательна, поскольку при этом может произойти сквозная закалка зубьев, что вызовет их хрупкость. В та­ких случаях целесообразно применение углеродистых сталей пониженной прокаливаемости. В обозначении та­ких сталей ставятся соответственно буквы ПП (напри­мер, сталь 55ПП). При закалке мелкомодульных шесте­рен из такой стали, хотя зуб и прогревается насквозь, однако закаливается он всего на глубину 1-2 мм. Более того, поскольку сердцевина зуба была нагрета до темпе­ратуры критических точек, а охлаждение ее происходи­ло с умеренной скоростью, примерно, как при нормали­зации, произойдет улучшение структуры сердцевины: она получится более однородной и мелкозернистой. Это, несомненно, будет способствовать повышению прочности зуба.

Такой способ поверхностной закалки, при котором нагрев производится на большую глубину, чем необхо­димая глубина поверхностно-закаленного слоя, называ­ют закалкой с глубинным нагревом. В ряде случаев он дает очень большой эффект. На Минском автозаводе разработан и внедрен процесс глубинной закалки шквор­ня из стали 45. Благодаря этому упразднена операция предварительной нормализации, а сопротивление уста­лости шкворня повысилось более чем в 10 раз.

После проведения поверхностной высокочастотной закалки детали подвергают низкому отпуску при темпе­ратуре 160-200°С. Это способствует уменьшению хруп­кости закаленного слоя. Отпуск проводится в электропе­чах. Можно также осуществить самоотпуск. С этой це­лью спрейер, подающий воду, отключается несколько раньше, и благодаря этому охлаждение происходит не полностью. В детали сохраняется теплота, которая обеспечивает нагрев закаленного слоя до температуры низ­кого отпуска.

После закалки применяется также электроотпуск, при котором нагрев проводится с помощью высокочас­тотной установки. При этом для получения хороших ре­зультатов нагрев нужно осуществлять с меньшей скоро­стью, чем при закалке, и на большую глубину. Требуе­мый режим нагрева устанавливается опытным путем.

Для повышения механических свойств сердцевины и обшей прочности детали перед поверхностной закалкой проводят нормализацию или объемную закалку в соче­тании с высоким отпуском (улучшение).

Дефекты закалки с нагревом ТВЧ и их предупреждение

Деформация. Хотя деформация деталей при высоко­частотной закалке значительно меньше, чем при объем­ной, тем не менее и в этом случае она может быть при­чиной брака. Как и при объемной закалке, деформация связана, во-первых, с неравномерностью нагрева и ох­лаждения и, во-вторых, с увеличением объема стали при образовании мартенсита.

Неравномерность нагрева при высокочастотной за­калке вызывается неравномерным зазором по окружно­сти между индуктором и нагреваемой деталью. В тех местах, где зазор меньше, нагрев происходит сильнее. Такое явление называется эффектом близости. Во избе­жание этого проводят, как указывалось выше, вращение детали при нагреве. Вращение, однако, не дает эффекта, если сама нагреваемая деталь имеет эксцентриситет, или центры станка, в которых она устанавливается, имеют биение.

Неравномерность охлаждения вызывается неравномерной подачей воды через спрейер.

В результате неравномерности нагрева и охлажде­ния может произойти искривление геометрической оси при закалке цилиндрических изделий типа валов, шпин­делей и т. п.

Наибольшая деформация наблюдается при односто­ронней поверхностной закалке, особенно в тех случаях, когда детали не обладают достаточной жесткостью, как, например, пластины. Однако даже изделия, обладающие высокой жесткостью, такие как рельсы, балки и др., но имеющие большую длину, при односторонней закалке склонны к деформации. В этих случаях уменьшение де­формации может быть достигнуто снижением толщины закаленного слоя, а также закалкой обратной, нерабо­чей стороны пластин или балок.

Увеличение объема при высокочастотной закалке происходит только в поверхностном слое детали, где об­разуется мартенситная структура. Несмотря на то, что глубина закаленного слоя в большинстве случаев не превышает 2-3 мм, изменение объема даже в таком не­большом слое может привести к ощутимому и нежела­тельному изменению размеров детали. Например, при поверхностной закалке цилиндрической детали, при рав­номерном расширении слоя во всех направлениях можно было бы ожидать увеличения диаметра детали пример­но, на 3 мкм на каждый миллиметр толщины закаленно­го слоя. Если же учесть, что в большинстве случаев уве­личение объема при поверхностной закалке происходит в основном в направлении глубины слоя (но диаметру детали), то увеличение диаметра можно принять в 3 ра­за большим, т. е. оно составит примерно 0.01 мм на каж­дый миллиметр толщины слоя.

Наряду с увеличением диаметра при закалке цилинд­рических деталей, особенно в тeх случаях, когда длина их значительно превышает диаметр, происходит уменьшение длины. Такое уменьшение может достигать 1% от длины закаленного участка.

Важным преимуществом высокочастотной закалки является то, что изменение объема, связанное со струк­турными превращениями, а значит и изменение разме­ров обрабатываемой детали, могут быть более или менее точно учтены.

Трещины. Первопричиной появления трещин при высокочастотной поверхностной закалке, как и при обычной закалке, являются внутренние напряжения. Это все те же термические напряжения, возникающие вследствие уменьшения объема металла при охлажде­нии, и структурные напряжения вследствие увеличения объема стали при образовании мартенсита. Однако условия возникновения трещин, их вид и размеры при высокочастотной закалке имеют свои характерные осо­бенности. Сущность их сводится к следующему. По­скольку нагреву подвергается только тонкий поверх­ностный слой металла, то при последующем резком охлаждении он будет стремиться уменьшиться в объе­ме, но этому будет препятствовать лежащий под ним холодный слой металла. В результате в поверхностном слое возникнут растягивающие напряжения. До 600- 500°С нагретый металл еще сохраняет сравнительно высокую пластичность, но ниже этой температуры пла­стичность падает, и такие напряжения могут привести к трещинам. При дальнейшем охлаждении ниже 300- 200°С, когда в поверхностном слое образуется мартен­сит, происходит увеличение объема металла, и это уменьшает растягивающие напряжения, поэтому воз­никшие трещины, как правило, не увеличиваются по глубине. По существу это микротрещины, которые во многих случаях могут быть удалены при последующей шлифовке.

Возникновению микротрещин способствует неравно­мерность охлаждения водяным душем, когда разобщен­ные тонкие струйки воды, попадая на закаливаемую поверхность, создают неоднородное охлаждение. Обра­зующиеся микротрещины имеют характерное для этого случая расположение, соответствующее расположению отверстий в спрейере.

Неоднородность охлаждения уменьшается при вра­щении детали. Действенной мерой является также при­менение индукторов с коническими душирующими отверстиями. В таких спрейерах струя воды по выходе из отверстия расширяется, и при попадании на поверх­ность детали отдельные струи воды сливаются в общий поток. Применяемое в настоящее время в практике за­водов охлаждение масляным душем — эффективное средство борьбы с трещинами.

Источник: «Термическая обработка. В помощь рабочему-термисту» Райцес В.Б.

Источник