Тема 1. Индукционная закалка

ВВЕДЕНИЕ

КОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ ПОТОКАМИ ЭНЕРГИИ

Конспект лекций

Ростов-на-Дону

При поверхностной закалке нагревают и охлаждают только поверхностные слои детали, поэтому изменяется структура только этих слоев. В результате такой термической обработки получаем деталь, у которой поверхностные слои очень твердые, а сердцевина - пластичная и вязкая. Это основное преимущество поверхностной закалки по сравнению с закалкой при сквозном нагреве (вследствие пластичной сердцевины уменьшается хрупкость детали). При этом поверхность детали почти не окисляется, так как процесс осуществляется быстро и деформация детали уменьшается в связи с нагревом и охлаждением только наружных слоев.

При поверхностной закалке сокращается время обработки деталей, что увеличивает производительность оборудования. Появляется возможность включения операций закалки и отпуска в общий поток обработки на металлорежущих станках и полной или частичной механизации и автоматизации производственных процессов. Повышение долговечности при поверхностном упрочнении объясняется следующим: 1) в поверхностных упрочненных слоях создаются остаточные напряжения сжатия; 2) прочность металла различна по глубине (максимальная прочность на поверхности) и соответствует условиям работы деталей при изгибе и кручении; 3) поверхностные слои закаленных деталей, имея высокие твердость, прочность и износостойкость, обеспечивают достаточную прочность всей детали.

В современном машиностроении методы поверхностного термического упрочнения сочетаются с методом холодной пластической деформации (обкатка роликами, наклеп дробью), что приводит к увеличению напряжений сжатия в поверхностных слоях и увеличивает срок службы деталей. Нагрев при поверхностной закалке может производиться разными способами: токами высокой и промышленной частоты, плазменной струей, лазерным излучением и т.д.

Индукционный нагрев для термической обработки, предложенный и разработанный проф. В. П. Вологдиным, является производительным и прогрессивным способом нагрева. При применении его для поверхностной закалки можно получить разный по глубине закаленный слой и закаливать детали разнообразной конфигурации; можно также полностью автоматизировать процесс закалки.

При поверхностной закалке (поверхностном нагреве) глубина нагрева до температур закалки примерно равна глубине закаленного слоя. Структура сердцевины при этом остается без изменения, поэтому ее упрочняют предварительной термической обработкой (нормализацией или улучшением). Для поверхностного нагрева детали необходимо сконцентрировать большое количество электрической энергии в небольшом объеме металла (удельная мощность 0,5-1,5 кВт/см²) и проводить нагрев с большими скоростями (30-300°С/с). Время нагрева при этом составляет 1,5 - 20 с.

Основное отличие индукционного нагрева от нагрева в печах и других нагревательных устройствах заключается в том, что тепло не подводится к детали от внешних источников (конвекцией или лучеиспусканием), а выделяется непосредственно в самой детали.

Рассмотрим принципиальную схему нагрева (рис. 1). Переменный электрический ток подводится к индуктору 2. Закаливаемую деталь 1 помещают в индуктор. Внутри индуктора возникает переменное магнитное поле, индуктирующее в поверхности детали электродвижущую силу, под действием которой в металле возникают электрические вихревые токи (токи Фуко), вызывающие нагрев детали до высокой температуры. Тепло выделяется на тех участках детали, которые подвергаются воз

Рис. 1. Схема индукционного нагрева: 1 - деталь; 2 - индуктор

действию переменного магнитного поля и электрического тока. Это обеспечивает высокую скорость нагрева и позволяет производить местный нагрев. После нагрева на разогретую поверхность из спрейера выбрызгивается закалочная жидкость (спрейером может служить сам индуктор в виде полой трубки с отверстиями).

Характерным является распределение токов по сечению проводника (детали). Плотность протекающего переменного тока значительно больше у поверхности, чем во внутренних слоях проводника (рис. 2). Такое неравномерное распределение переменного тока в проводнике называется поверхностным эффектом. Благодаря этому эффекту деталь нагревается на определенную глубину, а сердцевина - незначительно за счет теплопроводности или совсем не нагревается. Плотностью тока в глубоко расположенных слоях детали пренебрегают; считают, что эта часть проводника как бы свободна от тока. Это допущение относится к тем слоям проводника, в которых

Рис. 2. Распределение плотности переменного тока по проводнику: 1 - действительное распределение; 2 - условное распределение

плотность тока снижается приблизительно в 3 раза по сравнению с плотностью тока на поверхности проводника. Условно считается, что переменный ток идет не с неравномерной, а с одинаковой плотностью по слою проводника определенной глубины.Этот слой называется глубиной проникновения тока. Такое условное распределение плотности тока целесообразно в связи с тем, что на условной глубине проникновения тока выделяется около 87% всего тепла, выделяемого вихревыми токами. Таким образом, распределение тока по кривой заменяется условным распределением по заштрихованному участку. Глубина проникновения тока при температуре 20^оС, мм

d20 = 20/

(1)

где f - частота тока, Гц. Ее часто называют «холодной» глубиной проникновения тока d_хол. Глубина проникновения зависит от частоты тока: чем выше частота тока, тем меньше его проникновение в глубину детали. Большая разница в глубине проникновения тока наблюдается при нагреве до температуры, когда магнитные свойства стальной детали понижаются. Магнитные свойства стали резко понижаются при температуре, близкой к температуре в точке А₁, когда перлит превращается в аустенит. Выше температуры точки А₁ эвтектоидная и заэвтектоидная стали немагнитны. Доэвтектоидная сталь частично теряет свои магнитные свойства при температуре в точке А₁ (перлит, превратившийся в аустенит), а частично при температуре в точке А₂ (768°С) (свободный феррит). Глубина проникновения тока при 850°С во много раз больше глубины проникновения тока при 20°С (табл. 1). Глубину проникновения тока при нагреве до температур выше критических (в горячий металл) часто называют «горячей» глубиной проникновения тока d_гор.

Таблица 1.

Глубина проникновения тока в деталь из стали 45

Частота тока, Гц	Глубина проникновения тока, мм
при 20^оС и m=50	при 850^оС и m=1
	4,5
	0,64
	0,35	6,2
	0,12	2,1
	0,032	0,55

Приближенно такая глубина проникновения тока, мм

dгор = 600/

(2)

Учитывая изменение глубины проникновения тока при разной температуре, процесс индукционного нагрева можно представить в такой последовательности. Сначала быстро нагревается слой определенной глубины, равный глубине проникновения тока в холодный металл. После потери этим слоем магнитных свойств глубина проникновения тока увеличивается и начинает быстро нагреваться следующий слой, расположенный глубже, а повышение температуры в уже нагретом слое замедляется. После потери магнитных свойств вторым слоем начинает быстро нагреваться третий слой и т. д.

Такая последовательность нагрева указывает на то, что при индукционном нагреве тепло быстро распространяется в связи с изменением магнитных свойств (рис.3). Нагрев в пределах глубины проникновения тока в горячий металл протекает активно и осуществляется за счет преобразования электрической энергии в тепловую. Такой нагрев называется активным нагревом с помощью тока. Нагрев металла в пределах глубины проникновения тока в горячий металл происходит быстро (за секунды).

За пределы этой глубины проникновения тока (в глубоколежащие слои) тепло может распространяться лишь в результате теплопроводности.

Распределение температуры по сечению детали при активном нагреве с помощью тока или в результате теплопроводности различное (рис.4).

Рис. 3. График индукционного нагрева	Рис. 4. Распределение температуры по сечению детали: 1 - активный нагрев с помощью тока; 2 - нагрев вследствие теплопроводности; хк - толщина закаленного слоя

Нагрев с помощью активного тока характеризуется малым перепадом температуры в пределах нагретого слоя и крутым спадом во внутреннем слое, еще не потерявшем магнитных свойств (кривая 1). При нагреве вследствие теплопроводности перепад температуры большой (перегрев поверхностных слоев детали, кривая 2). Повышение температуры поверхности детали при нагреве вследствие теплопроводности необходимо для ускорения процесса теплопередачи, так как распространение тепла в результате теплопроводности совершается медленно. Чтобы при нагреве вследствие теплопроводности получить заданную глубину закаленного слоя, приходится производить нагрев длительное время, что приводит к переносу значительного количества тепла в сердцевину детали (большие тепловые потери), в связи с чем расход энергии увеличивается. Поэтому если необходимо нагреть поверхность детали на определенную глубину, то нужно применять нагрев заданного слоя с помощью активного тока. Это достигается правильным выбором определенных значений скорости нагрева и частоты тока. Сквозной нагрев детали обеспечивается большим диапазоном параметров нагрева, но и в этом случае необходимо осуществлять быстрый нагрев, чтобы уменьшить тепловые потери излучением с поверхности детали и увеличить производительность нагревательных устройств.

1.1. Индукторы. Качество деталей, закаленных при нагреве с помощью т. в. ч., в большой степени зависит от конструкции индуктора, его установки и расстояния между индуктором и нагреваемой деталью. Индукторы изготовляют из медных трубок, по которым для охлаждения пропускают воду. Изготовляют также индукторы, в которых нагревающая часть комбинируется с охлаждающим душевым устройством, через которое на нагретую деталь поступает охлаждающая жидкость. Для равномерного нагрева необходимо, чтобы расстояние от индуктора до детали было во всех точках одинаково. Обычно зазор между индуктором и нагреваемой деталью составляет 1,5-3 мм. Цилиндрические детали равномерно нагреваются благодаря вращению в индукторе. Для деталей каждого типа изготовляют отдельный индуктор, конфигурация которого соответствует форме закаливаемой детали.

Различают индукторы для нагрева: 1) внешней поверхности цилиндрических деталей; 2) внутренней поверхности цилиндрических деталей; 3) плоской и сложной поверхностей деталей. В одном и том же индукторе нельзя нагревать различные по форме и размеру детали.

Наиболее распространены конструкции одно- и многовитковых индукторов (рис. 5). Обычные индукторы имеют низкий к. п. д. (60-70%) вследствие рассеяния электромагнитного поля. Уменьшение потока рассеяния и концентрация электромагнитного поля в нужном направлении достигается применением индукторов с магнитопроводом.

При наличии магнитопровода, с трех сторон охватывающего активную часть индуктора, происходит концентрация магнитного поля между индуктором и нагреваемой поверхностью. При этом резко возрастает к. п. д. индуктора. Магнитопроводы в виде пакета, набранного из тонких (0,2 мм), изолированных друг от друга листов трансформаторной стали, пригодны для индукторов, работающих при частотах до 10000 Гц.

При работе на больших частотах такой магнитопровод не пригоден, так как быстро нагревается. Чтобы в процессе нагрева на больших частотах магнитопровод мало нагревался, его изготовляют из материалов, имеющих при таких частотах малые потери на гистерезис и вихревые токи. Такими материалами являются магнитодиэлектрикии новые материалы-оксиферы (ферриты). Магнитодиэлектрики представляют собой порошок магнитомягкого материала,

Рис. 5. Индукторы для нагрева: а, д - наружных поверхностей цилиндрических деталей; б, е - внутренних поверхностей цилиндрических деталей; в - наружных поверхностей конических деталей; г, з - плоских поверхностей деталей методом перемещения; ж - с душевым охлаждением

смешанный и спрессованный с изолирующим веществом (диэлектриком), например, бакелитом, нитролаками, полистиролом и др. В качестве материала для магнитодиэлектриков применяют карбонильное железо невосстановленное; карбонильное железо восстановленное, например, отожженное в атмосфере водорода; альсиферы - железо-кремний-алюминиевые сплавы; оксиферы (ферриты) (оксифер - оксидный ферромагнетик; феррит - название соединений типа М·Fе₂О₃, где М - ион двухвалентного металла (Fе, Ni, Mп, Сu, Zп и др.). - порошок оксидов металлов, смешанный, спрессованный и спеченный при 1100-1400°С. В производственных условиях наилучшие результаты получаются при использовании магнитопроводов, изготовленных из карбонильного железа (восстановленного) и из оксиферов.

1.2. Способы индукционной закалки. Индукционную закалку проводят различными способами в зависимости от размера и формы деталей и предъявляемых к ней требований. При закалке небольших деталей применяется нагрев и вслед за этим охлаждение всей поверхности. Деталь помещают в индуктор и сразу нагревают, а затем всю поверхность, подлежащую обработке, охлаждают. Наиболее часто применяют душевое охлаждение. На внутренней поверхности индуктора имеются многочисленные отверстия, через которые после нагрева на поверхность поступает вода или другая закалочная среда. Закалку деталей значительной длины проводят непрерывно-последовательным способом. Деталь устанавливают в центрах и для равномерности нагрева непрерывно вращают с определенной скоростью. Закалка происходит при перемещении индуктора снизу вверх (со скоростью от 0,3 до 3 см/с). При таком перемещении в магнитное поле индуктора последовательно попадают один участок детали за другим. Под индуктором расположено охлаждающее устройство, представляющее собой согнутую кольцом трубу с многочисленными отверстиями на внутренней поверхности, через которые на нагретые участки детали поступает вода из душевого устройства. Таким образом, непрерывно-последовательно нагревается и охлаждается вся поверхность детали.

Если необходимо закалить отдельные части детали, то целесообразно применять способ последовательной закалки, при котором обрабатываемая поверхность нагревается и охлаждается по частям, например, последовательная закалка каждой шейки коленчатого вала, каждого кулачка распределительного валика, каждого зуба крупномодульного зубчатого колеса и т. п. Для точной установки детали в индукторе и обеспечения определенного и одинакового нагрева и охлаждения каждой нагреваемой детали, от чего зависит качество индукционной закалки, применяют специальные приспособления, установки, автоматы и полуавтоматы различных конструкций.

Режим индукционного нагрева определяется частотой тока, удельной мощностью и временем нагрева. Частота тока определяет экономическую эффективность индукционного нагрева. Наиболее высокий к. п. д. индуктора (0,7-0,8) получается в том случае, когда наименьшая желательная частота тока, необходимая для осуществления индукционного нагрева,

f₂ = Гц

где D - диаметр нагреваемой детали, см.

При понижении частоты тока увеличивается удельный расход электроэнергии и значительно уменьшается к. п. д. индуктора. Наименьшая возможная частота тока (при к. п. д. индуктора 0,3-0,54)

f₁ = Гц

При частоте тока меньше, чем f₁ невозможно осуществить нагрев для закалки, так как к. п. д. индуктора при этом настолько мал, что энергии, передаваемой в деталь, недостаточно для компенсации тепловых потерь и нагрева детали до температур закалки. Поэтому для обеспечения высокого к. п. д. индуктора и экономии электроэнергии при индукционном нагреве следует применять частоты более высокие, чем частота f₂. При выборе частоты тока необходимо учитывать также и толщину закаленного слоя.

Рис. 6. Зависимости времени нагрева t_к (сплошные линии) и сообщаемой детали удельной мощности р_о (штриховые линии) от диаметра D нагреваемой цилиндрической детали для различных толщин закаленного слоя х_к при различных частотах: а - 250000 Гц; б = 8000 Гц; в = 2500 Гц

Для определения режимов нагрева при поверхностной закалке можно пользоваться рис. 6. Предположим, необходимо закалить вал диаметром 60 мм на глубину 4 мм. Определяем, что закалку на глубину 4 мм следует проводить при нагреве с помощью тока частотой 2500 Гц. Следовательно, нужно пользоваться рис. 6, в. Для получения закаленного слоя 0,4 см на валу диаметром 6 см, необходим нагрев в течение 5,5-6 с при удельной мощности р0 - 0,9 кВт/см².

Получаемые данные только ориентировочные: по ним проводится закалка нескольких опытных деталей, после анализа которых режим нагрева может быть установлен более определенно. Индукционную закалку проводят на специальных установках, ток к которым подается от машинных или ламповых генераторов. Машинные генераторы имеют частоты от 1000 до-10000 Гц при мощности 60-1000 кВт, а ламповые генераторы - частоту до 100000 Гц и мощность от 5 до 220 кВт.

1.3. Свойства стали после индукционной закалки. Результаты индукционной закалки зависят от выбора марки стали, режимов предварительной термической обработки, режимов индукционного нагрева, охлаждения и низкого отпуска. По сравнению с обычной закалкой индукционная закалка придает стали более высокую твердость (на HRС 1-2) и прочность при относительно меньшем понижении вязкости, а также более высокий предел выносливости. Эти преимущества обусловлены измельчением зерен аустенита. С увеличением скорости нагрева (с повышением степени перенагрева) резко возрастает число центров перлито-аустенитного превращения. Поэтому образуется очень мелкое начальное зерно аустенита (из-за отсутствия выдержки при температуре закалки роста зерна не происходит). Измельчение зерна аустенита приводит к уменьшению размеров кристаллов мартенсита. При индукционном нагреве можно получить зерно аустенита 12-15-го балла (при нагреве в печах - 7-10-й балл). Для получения мелкого зерна аустенита при индукционной закалке необходимо применять: стали, мало склонные к росту зерна аустенита, а также подвергать закалке детали с мелкодисперсной исходной структурой.

Повышение предела выносливости стали после индукционной закалки связано с распределением остаточных напряжений (рис. 7). В закаленном слое имеются остаточные напряжения сжатия, а за пределами закаленного слоя - напряжения растяжения. Причиной усталостных разрушений являются только растягивающие напряжения.

Рис. 7. Влияние остаточных напряжений в поверхностно-закаленной детали на распределение рабочих напряжений по сечению детали: 1 - распределение остаточных напряжений после поверхностной закалки; 2 - распределение напряжений, вызванных изгибающим моментом; 3 - результирующая эпюра напряжений	Рис. 8. Температуры полной закалки доэвтектоидной углеродистой стали при различных скоростях нагрева (при исходной нормализованной структуре)

При работе напряжения сжатия будут ослаблять растягивающие (разрушающие) напряжения, возникающие в результате действия внешних сил. Поэтому после индукционной закалки предел выносливости повышается. Рассмотрим основные факторы, определяющие высокий комплекс свойств при индукционной закалке.

Скорость нагрева при индукционной закалке велика, а время нагрева мало (несколько секунд). Поэтому для завершения превращений стальную деталь нужно нагревать до более высоких температур, чем нормальная температура закалки при нагреве в печах (рис. 8). Чем больше в стали углерода, т. е. чем меньше избыточного феррита, тем меньше влияние скорости нагрева на температуру закалки. Температура индукционной закалки зависит не только от химического состава стали, но и от исходной структуры и скорости нагрева. Исходная структура стали может быть различной: она зависит от того, какой предварительной термической обработке подвергалась сталь: отжигу, нормализации или улучшению. На рис. 9 приведены интервалы оптимальных температур индукционной закалки стали 50 в зависимости от скорости нагрева и исходной структуры.

Рис. 9. Зависимость интервала оптимальных температур закалки стали 50 от скорости нагрева и исходной структуры

Наиболее узкий интервал оптимальных температур индукционной закалки - для отожженной стали; наиболее широкий - для улучшенной. Этот интервал расширяется главным образом в результате понижения его нижней границы. Это объясняется тем, что исходные структуры отличаются степенью дисперсности фаз. Чем дисперснее исходная структура, тем быстрее протекает превращение при нагреве (превращение перлита в аустенит протекает медленнее, чем сорбита). Таким образом, дисперсность исходной структуры определяет режим нагрева и, следовательно, размер зерна аустенита. При нормализованной структуре доэвтектоидной стали можно получить зерно аустенита 11 - 12-го балла; при закалке улучшенных структур получают сверхмелкое зерно аустенита 14-15-го балла. Скорость нагрева в области фазовых превращений определяется глубиной нагрева.

При индукционной закалке необходимо охлаждать быстро, без подстуживания нагретой поверхности и распространения тепла в глубь детали. Можно применять различные способы охлаждения: закалку быстродвижущейся водой или маслом, погружение в воду или масло.

Широко применяют охлаждение душем или потоком воды (быстродвижущейся водой). Этот способ обеспечивает большую интенсивность охлаждения, фиксирует в мартенсите наибольшее количество углерода (если скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения меньше 600°С/с, происходит отпуск мартенсита), что позволяет получить наиболее высокую твердость.

Для получения высокой твердости и предотвращения появления закалочных трещин скорость движения воды относительно детали должна быть в пределах 5-30 м/с. Применение самоотпуска (120-150°С) при интенсивном охлаждении быстродвижущейся водой практически не снижает твердость (возможно снижение на HRС 1-2) и гарантирует от появления трещин. При индукционной закалке кроме охлаждения водой применяют также закалочную среду «аква-пласт».

1.4. Отпуск и самоотпуск. После индукционной закалки детали подвергают низкотемпературному отпуску с нагревом в печи при температуре 150-250°С. Такой отпуск, незначительно снижая твердость, повышает прочность при изгибе (в 2 раза), снижает внутренние напряжения (на 25-30%) как на поверхности, так и в сердцевине,

задерживает самопроизвольный распад мартенсита, приводящий к короблению и изменению размеров. Тонкостенные детали (толщина соизмерима с глубиной проникновения тока) могут подвергаться отпуску с индукционным сквозным нагревом. При индукционной закалке широко применяют самоотпуск. При закалке с самоотпуском охлаждение после нагрева производится не полностью, а прерывается с таким расчетом, чтобы за счет сохранившегося тепла произошел отпуск закаленной детали, аналогичный отпуску в печи.

Рис. 10. Схема изменения температуры по сечению детали при закалке с самоотпуском: 1 - перед началом охлаждения; 2 - после прекращения подачи охлаждающей жидкости; з - после выравнивания (самоотпуск); tзак - температура закалки; tотп - температура самоотпуска

Процесс закалки с самоотпуском приведен на рис. 10. Кривая 1 характеризует распределение температуры в нагретой детали. После ускоренного охлаждения в закаленном слое образуется структура мартенсита и температура падает до 100°С и ниже.

В этот период распределение температуры характеризуется кривой 2. При прекращении охлаждения температура поверхностного слоя повышается (кривая 3) за счет сохранения высокой температуры непосредственно за закаленным слоем, что и приводит к отпуску мартенсита закаленного слоя. Изменяя время охлаждения, регулируют температуру самоотпуска. Для равномерного охлаждения закаливаемой поверхности время охлаждения при закалке должна быть не менее 1-1,5 с. Основными параметрами режима самоотпуска являются температура и время выдержки. На результаты самоотпуска в основном влияет температура. Поэтому при снижении температуры необходимо увеличить время выдержки. Для получения равной твердости при самоотпуске (по сравнению с отпуском в печи) применяют более высокие температуры, например, для деталей из стали 45 на 75-85°С при температуре отпуска до 300°С и на 100-125°С при более высоких температурах.

Для обеспечения стабильных результатов самоотпуска процессы индукционного нагрева и охлаждения должны быть автоматизированы. Вода для закалки должна иметь температуру в пределах 15-35°С, ее подачу регулируют с помощью реле времени. Применение самоотпуска сокращает длительность обработки (отпуск в печи 1 -1,5 ч), предохраняет от появления закалочных трещин, позволяет автоматизировать процесс термической обработки.

Дата добавления: 2014-01-04