производство и поставка оборудования для механических испытаний, неразрушающего контроля, химического анализа и визуального контроля, диагностического оборудования, приборов визуального контроля, систем контроля доступа персонала, элементов систем умного производства. Испытательная лаборатория. Сервисный центр

Глава 5.5 / 5.5.3 / 5.5.3.2. Индукционный нагрев токами высокой частоты

Индукционный нагрев токами высокой частоты. Эта технология наиболее широко применяется в промышленности. Нагрев токами высокой частоты (ТВЧ) осуществляется за счет теплового воздействия тока, индуцируемого в детали, которую помещают в переменное магнитное поле.

В основе индукционного нагрева лежит явление электромагнитной индукции. При прохождении переменного электрического тока через замкнутый токопроводящий контур возникает переменное магнитное поле. Если в переменное магнитное поле поместить другой проводник, то в нем индуцируется электрический ток той же частоты, что и в индукторе (поле).

В промышленных установках контур представляет собой один или несколько витков медной полой трубки или шины. Его называют индуктором (рис. 5.29). Дня нагрева деталь 1, являющуюся массивным проводником, помещают в индуктор 2. При протекании по индуктору электрического тока высокой частоты создается переменное магнитное поле, силовые линии которого 3 пронизывают установленную в индуктор деталь. В результате в поверхностном слое детали возникают вихревые токи (токи Фуко), вызывающие нагрев этого слоя до высоких температур бесконтактным способом.

Рис. 5.29. Схема индукционного нагрева ТВЧ: 1 — деталь; 2 — индуктор; 3 — силовые линии магнитного поля

Плотность тока по сечению изделия неодинакова. В основном токи высокой частоты протекают в поверхностном слое. Это явление называется поверхностным эффектом. Неравномерное распределение токов по сечению изделия приводит к неравномерному нагреву: поверхностные слои нагреваются очень быстро, а сердцевина либо совсем не нагревается, либо нагревается только за счет теплопроводности стали.

Толщина прогреваемого (закаленного) слоя у, мм, определяется по формуле

где р — удельное электрическое сопротивление, Ом⋅м; μ — магнитная проницаемость, Гн/м; f — частота тока, Гц.

Из формулы видно, что чем выше частота тока, тем меньше толщина закаленного слоя. Для получения слоя толщиной 1 мм оптимальная частота тока должна составлять примерно 60 кГц, для слоя 2 мм — около 15 кГц и для слоя 4 мм — 4 кГц. Частота тока определяется типом высокочастотного генератора. Полупроводниковые (тиристорные) и машинные генераторы обеспечивают получение тока частотой 0,5..10 кГц, ламповые — 60...440 кГц.

Важной особенностью индукционного нагрева под закалку является его высокая скорость — 100... 1000 °С/с.

Она уменьшается при повышении температуры выше точки Кюри (768 °С) вследствие потери сталью магнитных свойств — перехода из ферромагнитного в парамагнитное состояние (рис. 5.30),

Скорость нагрева токами высокой частоты во много раз превышает скорость нагрева в печах. Поэтому превращение перлита в аустенит сдвигается в область более высоких температур. Чем больше скорость нагрева при температурах фазовых превращений, тем выше должна быть температура закалки для получения оптимальной структуры и максимальной твердости. Так, при печном нагреве температура закалки стали с 0,4% С составляет 840... 860 °С, при нагреве ТВЧ со скоростью 250 °С /с — 880... 920 °С, а при скорости нагрева 500 °С/с — 960... 1020 °С.

Рис. 5.30. График индукционного нагрева

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

После индукционной закалки по сечению изделия формируется различная микроструктура: закаленный слой — мелкоигольчатый мартенсит, переходный слой — мартенсит и феррит, а сердцевина имеет исходную структуру (см. рис. 5.28). Поверхностные слои детали после закалки ТВЧ получают большую твердость, чем деталь после обычной закалки. Так, твердость стали с 0,4% С составляет не более 52...54 HRC после объемной закалки и 56... 58 HRC после закалки ТВЧ.

Охлаждение при закалке ТВЧ производится либо погружением в охлаждающую жидкость, находящуюся в закалочном баке, либо опрыскиванием охлаждающей жидкостью с помощью душевого устройства (спрейера). В качестве охлаждающей жидкости обычно используют подогретую воду (30...40°С) или эмульсию.

В зависимости от конструкции и размеров деталей применяют разные способы нагрева:

  • одновременный нагрев применяют для деталей небольших габаритов (например, втулки небольшой высоты, мелкомодульные зубчатые колеса), индуктор при этом охватывает всю деталь, охлаждение производят погружением в жидкость или спрейером;
  • последовательный (поочередный) нагрев применяют, когда необходимо упрочнить не всю деталь, а лишь отдельные ее участки (например, закалка посадочных шеек валов);
  • непрерывно-последовательный способ применяют для упрочнения длинномерных деталей. При этом деталь круглого сечения вращается вокруг собственной оси и перемещается сверху вниз относительно неподвижных индуктора и спрейера. Иногда, наоборот, индуктор и спрейер перемещаются относительно детали (закалка плоских направляющих станка). Скорость передвижения детали (или индуктора) составляет 0,3...3,0 см/с. Непрерывно-последовательный способ применяют для упрочнения заготовок валов, осей, ходовых винтов и др.

После закалки с нагревом ТВЧ детали подвергают низкому отпуску при 160...200 °С для сохранения высокой твердости поверхности. Отпуск выполняют в электрических или газовых печах. Реже используют индукционный нагрев токами промышленной частоты (50 Гц) со значительно меньшей скоростью нагрева (15…20°С/с).

Закалке токами высокой частоты подвергают детали, изготавливаемые в основном из конструкционных средне углеродистых сталей с 0,40…0,55% углерода. Легированные стали используются редко, так как при поверхностной закалке нет необходимости в увеличении прокаливаемости.

Глубину закаленного слоя обычно назначают в пределах 0,8... 1,2 мм. Этот слой обладает высокой твердостью. Сердцевина с ферритно-перлитной структурой обеспечивает достаточно хорошую ударную вязкость и имеет более высокую прочность, чем в цементованных деталях (из-за большего содержания углерода в этих сталях, чем в цементуемых, в их структуре больше перлита, обладающего повышенной твердостью и прочностью по сравнению с ферритом). Кроме того, при необходимости перед закалкой ТВЧ производят упрочнение сердцевины путем улучшения (закалки и высокого отпуска) или нормализации.

Таким образом, закалка ТВЧ особенно эффективна для изготовления тяжелонагруженных деталей, работающих в условиях повышенных износа, динамических и знакопеременных нагрузок (зубчатые колеса, валы и т.п.). Закалка токами высокой частоты в 2—2,5 раза повышает предел выносливости. Это связано с тем, что в поверхностном слое возникают большие сжимающие напряжения. Они уменьшают опасные рабочие растягивающие напряжения, возникающие в процессе эксплуатации, на поверхности детали.

Закалке ТВЧ подвергают также некоторые режущие инструменты, изготавливаемые из углеродистых и легированных инструментальных сталей (напильники, ножовочные полотна). После закалки ТВЧ и низкого отпуска структура поверхности — мартенсит, цементит вторичный, а твердость составляет 62...65 HRC. Сердцевина сохраняет структуру перлита и цементита вторичного.

Используя индукторы разной конструкции можно осуществлять закалку ТВЧ как круглых, так и плоских деталей (рис. 5.31).

Закалка с индукционным нагревом ТВЧ имеет следующие преимущества:

  • высокая производительность из-за высокой скорости нагрева;
  • возможность автоматизации процесса, что важно в условиях массового и крупносерийного производства;
  • возможность местного нагрева;
  • отсутствие обезуглероживания из-за малого времени нагрева (секунды);
  • значительно меньшие, чем при объемной закалке, деформации (коробление), так как нагреваются только поверхностные слои;
  • благоприятное распределение твердости по сечению детали.

Основные недостатки: невозможность применения для деталей сложной конфигурации, а также дороговизна оснастки.

Рис. 5.31. Конструкции кольцевого (а) и зигзагообразного индукторов (б): 1 — деталь; 2 — индуктор; 3 — спрейер

Типичный технологический процесс изготовления деталей, упрочняемых закалкой ТВЧ:

  • заготовительная операция;
  • предварительная механическая обработка;
  • улучшение (закалка + высокий отпуск);
  • получистовая механическая обработка (включая шлифование);
  • закалка ТВЧ (на глубину большую, чем в чертеже, с учетом припуска на шлифование);
  • низкий отпуск;
  • финишная обработка.

С 2011 года научно-производственное предприятие «УКРИНТЕХ» успешно работает и развивается в области контроля качества материалов и изделий.

Контакты

ООО НПП "Укринтех":
г. Харьков, ул.Ковтуна, д.50, корпус "А-5"

Для почты:
а/я 2304, Харьков-1, 61001, Украина

ООО НПП "Укринтех"
+38 (050) 499-09-89; +38 (067) 560-89-39
+38 (067) 575-45-10; +38 (057) 768-09-02

"ЦНИ Лаборатория"
+38 (098) 262-48-92

Компания

Производство и поставка
испытательного оборудования, оборудования для металлографии, приборов НК и др.

Сервисный центр
Ремонт, сервисное обслуживание и модернизация оборудования.

Центр независимых исследований
Аккредитованная испытательная лаборатория.