Индукционная закалка стали

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Поверхностная закалка ТВЧ

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

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

Технология высокочастотной закалки

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

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

Выбор температуры

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

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

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

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

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

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

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

Индукционная установка

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

Индукционный нагреватель ТВЧ

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

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

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

Индуктор для закалки ТВЧ имеет несколько вариантов исполнения:

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

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

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

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

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

Охлаждение детали

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

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

Закалка токами высокой частоты

Достоинства и недостатки

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

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

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

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Что такое ТВЧ и где это применяется?

После изготовления металлических деталей, на производстве проводят дополнительную обработку чтобы улучшить характеристики материала. ТВЧ — это закалка стали, которая проводится с помощью воздействия токов высокой частоты. Применяется на производстве.

Что такое ТВЧ-закалка?

ТВЧ закалка — поверхностное термическое воздействие на сталь, которое проводится при подаче тока высокой частоты. После проведения технологического процесса показатели прочности, твердости увеличиваются, что повышает эксплуатационные характеристики изделия. Технологический процесс состоит из нескольких этапов:

• нагрев до высокой температуры;
• выдержка в одном температурном режиме;
• охлаждение.

Глубина закалки ТВЧ зависит от длительности каждого из этапов.

При разогреве стали токами высокой частоты важно правильно выполнить охлаждение. Для этого заготовку погружают в ёмкость с охлаждающей жидкостью или на обработанную поверхность разбрызгивается масло, вода, эмульсия.

С помощью оборудования, на котором проводится процесс закалки сталей, можно выполнить ТВЧ-пайку. Для этого на рабочую поверхность подаётся ток ещё большей частоты.

Сферы применения

Термическое воздействие необходимо для того чтобы улучшить характеристики изделия. ТВЧ подвергаются следующие детали:

Нагрев токами высокой частоты применяется к изделиям из углеродистой стали. Если в них содержится не более 0,5% углерода, после обработки они приобретут высокие показатели прочности, твердости. Если процент углерода ниже, достигнуть необходимых характеристик не получится.

Достоинства и недостатки

Любой метод обработки металлов обладает сильными и слабыми сторонами. Преимущества:

1. У изделий, прошедших закалку токами высокой частоты остаётся мягкая середина. Это делает их устойчивее к пластической деформации.
2. Глубину закалки можно отрегулировать.
3. Металлическая поверхность непродолжительное время подвергается нагреву. Благодаря этому не происходит процессов окисления.
4. Возможность обрабатывать изделия различной формы, размера.
5. На поверхности заготовок не образуется нагар.
6. Минимальное изменение габаритов после проведения технологического процесса. Это позволяет использовать незначительный припуск на готовую деталь.

1. Для работы в мастерской или гараже приобретать оборудование невыгодно, поскольку оно дорого стоит.
2. Индукционную установку невозможно создать своими руками.

Станки применяются при серийном производстве износоустойчивых деталей.

Как выбирается температура

Чтобы провести качественную закалку стальной заготовки, нужно выбрать температурный режим обработки, который зависит от вида обрабатываемого материала:

1. Доэвтектоидные стали — содержат менее 0.8% углерода. Во время обработки их разогревают до температуры 850 градусов. После нагрева детали быстро охлаждают. Её погружают в ванную с охлаждающей жидкостью.
2. Заэвтектоидные стали — содержат более 0.8% углерода. Разогреваются до температуры 800 градусов. Таким образом происходит неполная закалка.

Особенности индукционного воздействия на металлические поверхности не позволяют обрабатывать стали, процентное содержание углерода в которых не превышает 0.5%. Для завершения технологического процесса нужно устранить возникшее напряжение между сердцевиной и поверхностью изделия. Чтобы сделать это, проводится низкотемпературный отпуск. Заготовка помещается в печь, разогретую до температуры 200 градусов по Цельсию. Когда температура упадёт, изделию дают остыть при комнатной температуре.

Охлаждение детали

Охлаждение — заключительный этап. Важные условия — скорость, равномерность. При охлаждении применяется два метода:

1. Деталь помещают в бак с охлаждающей жидкость.
2. Поверхность заготовки покрывается слоем охлаждающей жидкости с помощью спреера.

Индуктор, используемый для работы с металлическими изделиями, оборудуется дополнительной системой охлаждения. Она представляет собой медные трубки, по которым циркулирует вода. Охлаждение происходит благодаря отверстиям, прорезанных в трубках, из которых вода попадает на рабочую поверхность.

Индукционная установка

Чтобы провести разогрев токами высокой частоты, нужно использовать индукционное оборудование. Оно состоит из высокочастотного генератора, индуктора. Заготовку устанавливают внутри индуктора или рядом с ним. Он представляет собой катушку, на которой закрепляется медная трубка. Габариты, форма индуктора может изменяться в зависимости от размера обрабатываемой детали.

После включения оборудования индуктор генерируют магнитное поле, которое проходит через изделие. Вихревые токи, образующиеся во время обработки, разогревают поверхностные слои стали. Чтобы увеличить глубину проработки детали, нужно повысить частоту тока.

Бывает несколько типов конструкции индуктора:

1. Валы, отверстия, колеса закаливаются с помощью многовитковых установок.
2. Рабочую часть инструментов обрабатывают с помощью петлевых аппаратов.
3. Если деталь сложной формы, применяется фасонная установка.

Помимо конструкции используемого оборудования, изменяют режимы проведения работ:

1. Одновременная. Нагреву подвергается выбранная зона заготовки. После разогрева деталь равномерно охлаждается.
2. Непрерывно-последовательная. Зоны, которые требуется подвергнуть обработке, нагреваются последовательно. Для этого заготовка или индуктор смещается. Когда одна зона была разогрета и рабочий сместил индуктор, она начинает охлаждаться.

При обработке нужно удерживать одно расстояние между индуктором, рабочей поверхностью на всем рабочем промежутке. Важно не допускать соприкосновения оборудования и заготовки. Это приведёт к нарушению структуры материала.

Одновременный разогрев изделий подразумевает использование большой мощности. Это повышает затраты электроэнергии. Из-за этого при обработки крупногабаритных заготовок применяют режим непрерывно-последовательной закалки.

ТВЧ — технология, направленная на изменение характеристик металлической заготовки. Разогревание изделия высокочастотными токами увеличивает показатели твердости, прочности. Важно равномерно провести разогрев, охлаждение. ТВЧ актуально использовать при многосерийном производстве.

Технология индукционной электротермической обработки

Технология индукционной электротермической обработки

М.О. РАБИН, А.Г. ОРЛОВСКИЙ
ISSN 0026-0819. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 6. 1963 г.

На нашем заводе впервые использовали индукционный нагрев для термической обработки автомобильных деталей. В 1937—1938 гг. совместно с лабораторией проф. В. П. Вологдина была освоена поверхностная закалка шеек коленчатого вала двигателя ЗИС-5 в поточной линии механообрабатывающего цеха на высокочастотном станке-полуавтомате. Удельный вес термической обработки с использованием индукционного нагрева для поверхностного упрочнения деталей на ЗИЛе по отношению к другим способам поверхностного упрочнения составляет более 61 % (автомобили ЗИЛ-164А и ЗИЛ157К).

Поверхностная закалка при поверхностном нагреве изделия. Это наиболее распространенный вид термической обработки с использованием индукционного нагрева.

Глубина закаленного слоя определяется глубиной слоя, нагретого до температуры закалки. Местной поверхностной закалке подвергают детали из сталей 45, 40Х, 40ХНМА и др. В большинстве случаев местную поверхностную закалку используют для повышения износостойкости деталей, у которых запасы прочности достаточно велики (распределительные и коленчатые валы, оси, стержни переключения, разжимные кулаки и др.).

Местную закалку в отдельных случаях используют также для упрочнения наиболее нагруженных участков деталей с целью повышения их общей прочности (например, упрочнение трубы полуоси автомобиля ЗИЛ-164А). Раньше трубу изготовляли из нормализованной стали 40Х или улучшенной (для автобусов), и за счет прочности мате-риала трубы обеспечивалась конструктивная прочность наиболее нагруженного участка.

После анализа распределения рабочих напряжений на трубе были упрочнены поверхностной закалкой места приложения наибольшего знакопеременного изгибающего момента. В результате прочность трубы из углеродистой стали 45, закаленной на глубину 2-4 мм при HRC 50-62, превысила прочность трубы из нормализованной или улучшенной стали 40Х. Внедрение процесса упрочнения трубы полуоси из стали 45 в 1959 г. дало 230 000 руб. экономии (в новом масштабе цен).

Использование местной закалки для повышения прочности деталей — одно из главных направлений в развитии индукционной термической обработки на заводе.

Поверхностная закалка при глубинном нагреве. При поверхностном индукционном нагреве под закалку требуются значительные генераторные мощности (0,8-2 кВт на 1 см 2 нагреваемой поверхности). Кроме потребности в значительных мощностях нагрева, в ряде случаев встречаются большие трудности в осуществлении поверхностного нагрева под закалку по обводу деталей сложного профиля (например, зубьев шестерен).

Применение двухчастотного нагрева для шестерен, при котором можно получать поверхностный нагрев по профилю зуба, требует использования весьма больших мощностей токов звуковых и радиочастот. Это ограничивает область применения индукционной закалки приповерхностном нагреве изделия.

На нашем заводе для закалки шестерен разработана и используется сталь пониженной прокаливаемости (критический диаметр 6-15 мм); глубина закалки обусловливается ограничением прокаливаемости стали [2]. Нагрев под закалку осуществляется при малых удельных мощностях (0,2-0,05 кВт/см 2 ).

Применение сравнительно небольших мощностей, отсутствие необходимости в концентрации этой мощности строго по заданной сложной поверхности детали делают использование этой стали при указанном глубинном нагреве полезной для термической обработки шестерен и других деталей с тонким сечением упрочняемого элемента.

Сталь пониженной прокаливаемости 55ПП при закалке после глубинного индукционного нагрева используется для изготовления и термической обработки ведомой цилиндрической шестерни заднего моста автомашины ЗИЛ-164 взамен стали ЗОХГТ после цементации и закалки [3]. Этот метод применяется также на Горьковском автозаводе [4].

На рис. 1 показана макроструктура закаленной шестерни из стали 55ПП после глубинного индукционного нагрева. Нагрев на частоте 2500 Гц, мощность 140-150 кВт, время нагрева 76 сек, время охлаждения 6 сек, темп выдачи детали 120 сек.

Рис.1. Макроструктура ведомой шестерни заднего моста ЗИЛ-164 из стали 55ПП после индукционной закалки.

Внедрение указанного процесса в 1961 г. в поток механической обработки дало экономию 172 000 руб. Применение стали с ограниченной И регулируемой прокаливаемостью открывает новые области применения индукционного нагрева для термической обработки не только шестерен, но и других массовых деталей.

Поверхностная закалка ковкого ферритного чугуна. Поверхностная закалка ковкого ферритного чугуна обеспечивает весьма выгодное сочетание свойств в чугунной отливке — высокой износостойкости закаленной поверхности в условиях сухого трения при сохранении высоких прочностных характеристик.

На нашем заводе впервые была освоена закалка ТВЧ деталей из ковкого ферритного чугуна, и этот процесс был внедрен в поточную линию механической обработки для тормозных колодок и распорных втулок [5].

При обычном поверхностном нагреве под закалку стальных деталей в ковких ферритных чугунах диффузионное растворение углерода по всему объему слоя не успевает завершиться. Для увеличения скорости диффузионного насыщения применяют высокую температуру нагрева 1000-1050 °С. Режим нагрева под поверхностную закалку разделяется на три стадии:
1) нагрев при малой удельной мощности до 600-700 °С;
2) форсирование нагрева за счет увеличения удельных мощностей нагрева до 1000-1050 °С;
3) выдержка при этой температуре.

Общее время нагрева под закалку составляет 80-130 сек. Как показал опыт, в качестве охлаждающей среды при закалке может быть использована вода.

Закалка ковкого ферритного чугуна расширяет область применения индукционного нагрева для термической обработки.

Вследствие возможности поверхностной закалки ковкого ферритного чугуна стальной кованый кронштейн задней дополнительной рессоры заменен чугунным литым кронштейном.

На рис. 2 показаны исходная и закаленная структуры ковкого ферритного чугуна.

Рис.2. Макроструктура ковкого ферритного чугуна:
а — исходная; ×100; б — закаленного слоя; ×250.

Отпуск при индукционной закалке. Необходимость проведения отпуска после закалки с индукционным нагревом означает разрыв технологического цикла в поточной линии обработки вследствие высокой длительности процесса обычного отпуска (1-1,5 ч). Сокращение длительности отпуска до длительности, соизмеримой по времени с операциями механической обработки и поверхностной закалки (1-2 мин), является одним из условий, обеспечивающих внедрение процесса индукционной термической обработки в поток механической обработки. Сокращается длительность процесса, главным образом вследствие повышения температуры отпуска.

Самоотпуск. При поверхностной закалке с индукционного нагрева лишь 50-80 % тепла, полученного деталью при нагреве, используется непосредственно на нагрев закаленного слоя. Остальное тепло аккумулируется в сердцевине детали и при ограничении времени принудительного охлаждения закаливаемой поверхности может быть использовано для самоотпуска. Исследования показали, что при самоотпуске, длительность которого не превышает 10-60 сек, а температура поверхности на 60-80 °С выше назначаемой температуры обычного печного отпуска, действие обычного отпуска и самоотпуска одинаковы. Большим преимуществом самоотпуска является возможность проведения его немедленно после закалки, что позволяет эффективно предотвращать закалочные трещины. В настоящее время при обработке более 80 % деталей, проходящих индукционную закалку, используется самоотпуск. Самоотпуск заменяет низкотемпературный печной отпуск.

Однако самоотпуск можно применять и для замены высокотемпературного отпуска (улучшение поршневого пальца для подготовки структуры под поверхностную закалку).

Поршневой палец изготовляют из нормализованной стали 45. Для обеспечения прочности пальца и главным образом для получения мелкодисперсной структуры, обеспечивающей возможность сокращения времени перевода нагреваемого под закалку слоя в аустенит в течение примерно 0,7 сек, поршневой палец предварительно улучшается. Улучшение пальца сводится к объемному индукционному нагреву его и затем к кратковременному охлаждению водяным душем поверхности с таким расчетом, чтобы при ограничении времени охлаждения структура сердцевины была сорбитной или троостосорбитной, с твердостью HRC 28-35, соответствующей структуре обычного улучшения. Подробное описание этого процесса дано в работе [6].

Электроотпуск. По условиям индукционного нагрева и охлаждения после закалки не всегда можно обеспечить самоотпуск, особенно на тонких сечениях деталей и деталях сложной формы. В таких случаях обычный отпуск целесообразно заменить электроотпуском при индукционном нагреве токами повышенной или промышленной частоты. При этом сокращение длительности отпуска достигается за счет повышения температуры отпуска, что может быть легко достигнуто равномерным прогревом изделия по сечению закаленного слоя.

Высокотемпературный электроотпуск на твердость HRC 23-35 после поверхностной закалки проводится на резьбовом конце полуосевой трубы из стали 45. Улучшение резьбы необходимо для повышения прочности на смятие и срез.

Электроотпуск осуществляется в том же индукторе, что и для нагрева под закалку. Во многих случаях для электроотпуска целесообразно использовать ток промышленной частоты.

В настоящее время на ЗИЛе изготовлен и испытывается индуктор для электроотпуска осей коромысел клапанов ЗИЛ-130, питаемый от сети 50 Гц через трансформатор. Такой нагреватель монтируется вместе с индукционным закалочным устройством и составляет единый агрегат для индукционной термической обработки.

Выбор частоты. Частота тока обусловливает выбор параметров индукционного нагрева и оборудования.

Рациональный выбор частоты тока связан с экономической эффективностью процесса. Для правильного выбора частоты в данном случае может быть использована таблица, составленная на основании производственною опыта.

Перспективы внедрения технологии индукционного нагрева.

Специализированные установки для термической обработки имеют механизированную загрузку и выдачу деталей.

Предполагается внедрение процессов термической обработки тяжелонагруженных деталей (полуосей, поворотных кулаков, шкворней поворотных кулаков и др.).

В связи с разработкой и освоением сталей ограниченной прокаливаемости появляется возможность комплексного использования индукционного нагрева под горячую накатку шестерен и последующей поверхностной закалки в поточной линии механической обработки.

Разработанный и внедренный на заводе процесс газовой цементации с индукционным нагревом, позволивший решить вопрос изготовления шестерен в единой поточной линии механообрабатывающего цеха, в связи с переходом на изготовление нового автомобиля заменен цементацией и нитроцементацией.

При дальнейшей разработке технологических процессов будет продолжено освоение технологии нитроцементации с индукционным нагревом.

На заводе проводятся работы по использованию индукционного электронагрева для термомеханической обработки рессор.

Внедрение новых технологических процессов и расширение индукционной электротермической обработки сократят трудоемкость и себестоимость изготовления автомобильных деталей, повысят надежность эксплуатации автомобилей и улучшат условия труда рабочих.

1. Шепеляковский К.3., Рыскин С.Е. Техника применения индукционного нагрева. Машгиз, 1949.
2. Шепеляковский К.3. «МиТОМ», 1960, № 12.
3. Шепеляковский К.3. «Автомобильная промышленность», 1962, № 10.
4. Натанзон Е. И. «Автомобильная промышленность», 1962, № 8.
5. Рабин М.О. «Литейное производство», 1954, № 9.
6. Шкляров И.Н., Огневский В. А. «Вестник машиностроения», 1959, № 9.

Закалка с индукционным нагревом

Это наиболее распространенный способ поверхностной закалки. Нагревание детали происходит с помощью токов высокой частоты (ТВЧ) и основано на использовании явлений электромагнитной индукции и поверхностного распределения индукционного тока.

Деталь устанавливается в индуктор, представляющий собой один или несколько витков пустотелой медной водоохлаждаемой трубки. При пропускании через индуктор переменного тока высокой частоты создается магнитное поле. В поверхностных слоях детали наводится индукционный ток той же частоты, но противоположного направления. Этот ток нагревает деталь, при этом глубина нагрева зависит от частоты тока согласно следующей зависимости:

δ = 4,46·10 5 ,

где δ — глубина нагрева, м;

r — удельное электросопротивление, Ом·м;

m — магнитная проницаемость, Гн/м;

f — частота тока, Гц;

Из анализа этой формулы следует, что чем больше частота тока, тем меньше глубина нагрева и, соответственно, толщина закаленного слоя. Для стали 45 глубина проникновения тока для частот 1000; 10 000; 1 000 000 Гц составляет, соответственно, 10; 6; 0,6 мм.

Для нагревания используют машинные и ламповые генераторы. Первые вырабатывают ток частотой до 10 000 Гц, а вторые – свыше 10 000 Гц. В машинных генераторах закаливают детали диаметром 5…50 мм на глубину от 1 до 10мм. Ламповые генераторы применяют для закалки более мелких деталей с толщиной закаленного слоя до 1 мм.

Скорость нагревания ТВЧ составляет 50. 500 о С/с, а при обычном нагревании в газовой или электрической печи скорость не превышает 5 о С/с. Большие скорости нагрева приводят к тому, что образование аустенита и, соответственно, температура нагрева для закалки смещаются в область более высоких температур. Например, при печном нагреве стали 40 температура закалки составляет 840. 860 о С, а при нагреве со скоростью 500 о С/с – 980 . 1020 о С. После такого скоростного нагрева образуется мелкое зерно аустенита (10-12 балл), а после печного нагрева зерно значительно крупнее (8 балл).

Охлаждающую жидкость (воду, водовоздушные смеси, водяные растворы полимеров) для закалки подают через спрейер (душевое устройство). Скорости охлаждения при закалке после индукционного нагрева значительно превышают те, которые достигаются при объемной закалке. Это объясняется малой толщиной нагретого слоя в сравнении с общим объемом детали и дополнительным отводом тепла в её центральные зоны. Вследствие этого структура закаленного поверхностного слоя состоит из мелкоигольчатого мартенсита с твердостью на 3. 6 HRC выше, чем при печном нагреве.

Существуют следующие способы индукционной закалки:

— одновременное нагревание и охлаждение всей поверхности;

— непрерывно-последовательное нагревание и охлаждение;

— последовательное нагревание и охлаждение отдельных участков.

Первый способ применяется для изделий, которые имеют небольшую поверхность упрочнения, в частности, для инструмента, валов, и т. п.; второй – для длинных валов и осей; а третий – для шеек коленчатых валов, кулачков распределительных валов.

После закалки с индукционным нагревом изделия подвергают низкому отпуску при 160. 200 о С, а иногда и самоотпуску.

Для поверхностной закалки с индукционным нагревом применяют стали с содержанием углерода 0,4. 0,5% (40, 45, 40Х, 45Х и др.). Легированные стали практически не применяются, поскольку нет необходимости в глубокой прокаливаемости, достигаемой легированием.

К преимуществам индукционного нагрева следует отнести высокую производительность, а также практически полное отсутствие обезуглероживания, окисления и деформации, что позволяет в определенных случаях сделать такую обработку финишной операцией. Немаловажным достоинством является наличие возможности для регулирования глубины закаленного слоя.

Однако необходимо отметить, что в связи с высокой стоимостью оборудования и оснастки для индукционной закалки её применение экономически целесообразно только в условиях массового производства.

2.4.2.2 Закалка деталей с газопламенным нагревом

Закалка с нагревом деталей газокислородным пламенем – один из наиболее целесообразных методов поверхностного упрочнения в условиях индивидуального производства. В качестве горючих газов чаще всего используют ацетилен, коксовый или природный газ. Для нагрева применяют газовую горелку. Вода для охлаждения поверхности детали подается с помощью душирующего устройства.

Газопламенный нагрев может осуществляться при стационарном положении детали с постепенным перемещением горелки или при стационарном положении горелки со встречным движением детали.

Толщина закаленного слоя в большинстве случаев составляет 2. 4 мм, а его твердость для стали с содержанием углерода 0,4. 0,45 % составляет 50. 56 HRC. Закаленные детали подвергают отпуску в печи при 180. 250 о С.

К недостаткам этого способа поверхностной закалки относятся недостаточное регулирование температуры и толщины закаленного слоя, а также возможность перегрева отдельных участков поверхности детали.

Этих недостатков лишена единственная в Украине установка для поверхностного упрочнения прокатных валков диаметром до 1600 мм, которая эксплуатируется на Новокраматорском машиностроительном заводе. Технологический процесс обработки предусматривает предварительный объемный нагрев валков до 400. 500 о С. Далее валок передается на установку и подвергается скоростному газопламенному нагреву до 900. 950 о С. Толщина нагреваемого поверхностного слоя достигает 150 мм. В процессе нагрева осуществляется контроль температуры поверхности, на основании данных которого происходит автоматическое регулирование интенсивности нагрева в соответствии с разработанной технологией. По окончании нагрева валок передается в специальную водо-воздушную охладительную установку.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Студент — человек, постоянно откладывающий неизбежность. 10886 — | 7403 — или читать все.