Индукционные установки ТВЧ для поверхностной закалки крупномодульных зубчатых колес

В гидромеханических системах, устройствах и узлах чаще всего используются детали, которые работают на трение, сдавливание, скрутку. Именно поэтому основное требование к ним – достаточная твердость их поверхности. Для получения необходимых характеристик детали, поверхность закаляется током высокой частоты (ТВЧ).

В процессе применения закалка ТВЧ показала себя как экономный и высокоэффективный способ термической обработки поверхности металлических деталей, который придает дополнительную износостойкость и высокое качество обработанным элементам.

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.

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.

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.

Микроструктура стали

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.

Достоинства технологии

• Контролирование режимов;
• Замена легированной стали на углеродистую;
• Равномерный процесс прогрева изделия;
• Возможность не нагревать всю деталь полностью. Снижение энергопотребления;
• Высокая получаемая прочность обработанной заготовки;
• Не происходит процесс окисления, не сжигается углерод;
• Нет микротрещин;
• Отсутствуют коробленые точки;
• Нагрев и закаливание определенных участков изделий;
• Снижение временных затрат на процедуру;
• Внедрение при изготовлении деталей ТВЧ установок в технологические линии.

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.

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.

Рис. 1. Нагрев ТВЧ
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.

Рис. 2. Индукторы ТВЧ а -кольцевой для закалки одновременным методом; б — кольцевой для закалки непрерывно-последователь­ным методом; в — петлевой для закалки плоских поверхностей

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).

Наряду со многими преимуществами высокочастот­ная закалка имеет и недостатки. Во-первых, в мелкосе­рийном и единичном производстве изготовление индукто­ра и разработка технологического процесса могут быть нерентабельными. Во-вторых, для некоторых деталей сложной формы изготовление индуктора затруднительно или даже невозможно. В-третьих, на деталях, имеющих глубокие впадины, выступы, резкие переходы, острые уг­лы и т. д., не удается получить равномерной толщины закаленного слоя. Хотя это ограничивает возможность применения высокочастотной закалки, тем не менее в массовом и крупносерийном производстве для таких де­талей, как коленчатые валы, шестерни, втулки, шпинде­ли, борштанги, валки холодной прокатки и др., поверх­ностная закалка ТВЧ находит все большее применение.

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.

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

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.

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.

Индукционный нагрев – характеристики

Степень индукционного нагрева зависит от трех параметров – удельная мощность, время нагревания, частота электротока. Мощность определяет время, потраченное на нагрев детали. Соответственно при большем значении времени затрачивается меньше.

Время нагревания характеризуется общим объемом затраченного тепла и развиваемой температурой. Частота, как было сказано выше, определяет глубину проникновения токов и образованного закаливаемого слоя. Эти характеристики имеют обратную зависимость. При увеличении частоты, снижается объемная масса нагретого металла.

Именно данные 3 параметра позволяют в широком диапазоне регулировать степень твердости и глубину слоя, а также объем нагрева.

Практика показывает, что контролируются характеристики генераторной установки (значения напряжения, мощности и силы тока), а также время нагревания. Степень нагревания детали может контролироваться с помощью пирометра. Однако в основном непрерывный контроль температуры не требуется, т.к. существуют оптимальные режимы нагревания ТВЧ, обеспечивающие стабильное качество. Подходящий режим выбирается с учетом измененных электрических характеристик.

После закалки изделие отправляют в лабораторию на исследование. Изучается твердость, структура, глубина и плоскость распределенного закаливаемого слоя.

Поверхностная закалка ТВЧ сопровождается большим нагревом в сравнении с обычным процессом. Объясняется это следующим образом. В первую очередь, высокая скорость повышения температуры способствует увеличению критических точек. Во вторую, необходимо в короткий срок обеспечить завершение превращения перлита в аустенит.

Высокочастотное закаливание, в сравнении с обычным процессом, сопровождается более высоким нагревом. Однако металл не перегревается. Объясняется это тем, что зернистые элементы в стальной структуре не успевают разрастись за минимальное время. Кроме этого объемная закалка имеет прочность ниже до 2-3 единиц. После закалки ТВЧ деталь обладает большей износостойкостью и твердостью.