ООО ЭЛИСИТ
Лидер России 2015 - Продукция отмечена золотой медалью конкурса качества - Установки индукционного нагрева "TESLINE"

Индукционный нагрев ТВЧ :: Статьи


Индукционная поверхностная закалка - режимы, мощность, индукторы, рекомендации

Дата публикации: 01.09.2014

 Для быстрой навигации по статье нажмите ссылку:

→ 1. Основные параметры режимов закалки

→ 2. Определение мощности генератора

→ 3. Индукторы для закалки

→ 4. Индукторы с магнитопроводом

→ 5. Рекомендации по применению индукционной поверхностной закалки


1. Основные параметры режимов закалки

При индукционной поверхностной закалке производится бы­стрый нагрев на заданную глубину током, индуктированным в по­верхностном слое.детали, с последующим охлаждением.

В результате такой закалки получается высокая твердость поверхности при сохранении вязкости сердцевины. Метод индук­ционной поверхностной закалки предложен проф. В. П. Волог­диным, развит им и сотрудниками его лаборатории до промыш­ленного внедрения.

Основными параметрами, характеризующими высокочастот­ную закалку, являются:

1. Глубина закаленного слоя хк, она принимается равной (условно) расстоянию от поверхности до той зоны, где в структуре имеется 50% мартенсита. Практически эта глубина определяется по твердости, так как для каждой марки стали твердость полу- мартенситной структуры известна. Для стали 45 она равна 42- 45Rc.

2. Время нагрева под закалку - время, необходимое для повышения температуры слоя на глубине хк до закалочной. При выбранной частоте тока время закалки в большинстве случаев определяет глубину закаленного слоя. Кроме того, оно является единственным параметром режима нагрева, который точно дози­руется при помощи реле времени и легко - контролируется непо­средственным измерением. Поэтому время нагрева может быть при­нято в практике в качестве основного параметра режима нагрева.

3. Температура закалки Тк - температура, при достижении которой за время tk произойдут необходимые структурные изме­нения. Для каждой марки стали существует оптимальный интер­вал температур Тк. При более низкой температуре в структуре закаленного слоя наблюдается остаточный феррит - твердость снижается. При более высокой температуре в закаленном слое наблюдается крупноигольчатый мартенсит и аустенит. Твердость также снижается. Интервал смещается в область более высоких температур при увеличении скорости нагрева. В табл. 19 при­ведены данные по выбору температуры нагрева при различных режимах.

Таблица 19. Температура закалки при разных режимах нагрева, °С

Температура закалки при разных режимах нагрева

4. Перегрев наружного слоя ΔТ - превышение температуры поверхности закаливаемой детали над температурой закалки на глубине хк.

5. Скорость нагрева vн (град/с), ее принято вычислять как среднюю в интервале температур структурных превращений, т. е. практически от момента достижения температуры, соответ­ствующей потере магнитных свойств, до момента достижения температуры закалки.

6. Критическая скорость охлаждения. Мартенсит при за­калке получается только при условии охлаждения со скоро­стью, превышающей определен­ную, так называемую критиче­скую. Для каждой марки стали характерна своя критическая скорость. Скорость охлаждения по мере удаления от поверхно­сти резко уменьшается. В зави­симости от требуемой скорости охлаждения применяют различ­ные охлаждающие среды. Изделия из углеродистой стали обычно охлаждают в воде или в водном растворе соли. Легированные стали требуют меньших скоростей охлаждения. Поэтому для них иногда применяют масло. Скорость охлаж­дения в области мартенситных превращений для углеродистых сталей равна 400-500 град/с, а для легированных - 50- 200 град/с. Резкое повышение скорости охлаждения может вызвать трещины в закаленном слое, особенно у тел сложной конфигура­ции (шестерни, кулачки и т. д.).

Скорость охлаждения водой зависит от давления, под которым вода попадает на поверхность, и от температуры воды.

7. Термический к. п. д. ηt. Под ηt, понимают отношение тепла, потребного для нагрева поверхностного слоя глубиной хк до температуры Тк, ко всему теплу, сообщаемому телу. Термиче­ский к. п. д. определяется типом нагрева и температурой пере­грева.

Поверхностный и глубинный способы нагрева под закалку
Рис. 24. Два способа нагрева под за­калку:
1 - поверхностный; 2 - глубинный

Различают два типа нагрева (рис. 24):

1) глубинный, когда Δ2 > хк, а удельная мощность на еди­ницу нагреваемой поверхности достаточно велика;

2) поверхностный, при котором Δ2 < хк. Удельная мощность в этом случае незначительна.

При поверхностном типе нагрева тепло выделяется в тонком слое и глубже распространяется путем теплопроводности. В табл. 20 указаны характерные особенности обоих типов нагрева.

Таблица 20. Типы индукционного нагрева под закалку и их характеристики

 Характеристики Типы нагрева
 Глубинный Поверхностный

 Выделение тела при нагреве

 

 Главным образом внутри закаленного слоя

 В тонком поверхностном слое
 Распределение температуры Приближается к прямоугольнику Как при нагреве внешними источниками тепла
 Перегрев поверхности Малый При быстром нагреве значителен
 Нагрев внутренней незакаливаемой части детали  Значителен
 Время нагрева Мало (секунды) Значительное, особенно при малом перегреве и больших глубинах
 Термический к.п.д. при перегреве в 100 °С 20 - 30%  Менее 13 %

Очевидно, что во всех случаях индукционной поверхностной закалки нужно стремиться к осуществлению глубинного способа нагрева.

Таблица 21. Глубина закалки для различных частот

 Глубина закаленного слоя, мм
 Частота, гц
 8,0 2,5 1,00,05
 Наименьшая 1,3 2,4 3,6 17
 Наибольшая рекомендуемая
 5,5 10,0 16,0 70
 Оптимальная 2,7 5,08,0
 34

На основании этих условий в табл. 21 приведены значения наиболее выгодной глубины закаленного слоя и возможных пределов ее изменения для различных частот.

Зависимость времени нагрева под закалку от диаметра
Рис. 25. Зависимость времени нагрева под закалку tK (­ - ) и удельной мощности р0, сообщаемой детали ( - -), от диа­метра нагреваемого цилиндра при частоте 2500 Гц при различных глубинах зака­ленного слоя хк 
Зависимость времени нагрева под закалку твч от диаметра
Рис. 26. Зависимость времени нагрева под закалку tK (-) и удельной мощности р0, сообщаемой детали (- -), от диаметра нагреваемого цилиндра при частоте 8000 Гц
Зависимость времени нагрева под закалку от диаметра
Рис. 27. Зависимость времени нагрева под закалку tк (-) и удельной мощности р0, сооб­щаемой детали (      -), от диа­метра нагреваемого цилиндра при радиочастоте

На рис. 25-27 приведены кривые, по которым можно опреде­лить время нагрева и удельную мощность при радиочастоте, 2500 и 8000 Гц (цифры на кривых указывают глубину закаленного слоя в сантиметрах).

Графики действительны для углеродистых и низколегирован­ных сталей при температуре поверхности 900°С.

2. Определение мощности генератора

Техническими условиями на закалку задаются твердость и глубина закаленного слоя, границы его расположения, указы­вается марка стали, исходная термическая обработка и требуе­мая производительность процесса.

По заданной глубине закаленного слоя и размерам детали выбирается наиболее подходящая стандартная частота тока; выбирается или разрабатывается заново процесс закалки, кон­струкция индуктора и закалочного станка, схема питания с уче­том максимальной нагрузки оборудования и обеспечения заданной производительности.

По выбранным значениям tK и р0 определяется мощность генератора (в кВт)

Расчет параметров индуктора

где S - площадь, нагреваемая под закалку, см2; р0 - удельная мощность в кВт/см2; ηи, ηтр, ηk, ηл - к. п. д. индуктора, транс­форматора, конденсаторной батареи и линии передачи.

Для предварительных расчетов можно рекомендовать следу­ющие значения к. п. д.: ηи = 0,75; ηтр = 0,87; ηk = 0,97; ηл = 0,95. Точные значения определяются расчетом.

Пример. Требуется закалить шейку коленчатого вала диаметром 85 мм и шириной 58 мм. Глубина закаленного слоя должна быть в пределах 4-3,5 мм, ширина - 50 мм. По табл. 21 выбираем частоту тока 2500 Гц. По кривой рис. 25 для 2500 Гц находим, что время закалки должно быть в пределах 6-6,5, а удель­ная мощность 1,15-0,9 кВт/см2. Такой режим нагрева обеспечивает заданную глубину закаленного слоя. Среднее значение мощности, отдаваемой генератором, равно

Расчет параметров индуктора

Опытом установлен следующий режим закалки:

Частота, Гц   .......................................................................2400

Время закалки, с...............................................................6-7,5

Мощность от генератора, кВт  .................................150-170

Когда площадь, подлежащая закалке, невелика, или когда требуется большая производительность процесса, рекомендуется применять одновременный способ закалки. В этом случае нагре­вается одновременно вся зона, подлежащая закалке. При достижении необходимой температуры нагрев прекращается и произ­водится охлаждение детали. Если подвергающаяся упрочнению поверхность детали велика (например, валы холодной прокатки, станины станков и др.), при одновременном нагреве необходимы слишком большие мощности питающих генераторов, что становится неосуществимым или экономически невыгодным. Для таких деталей применяется непрерывно-последовательный способ за­калки. При этом способе нагрев производится постепенно при непрерывном перемещении индуктора или детали относительно друг друга. Нагретые участки также непрерывно охлаждаются, как бы следуя друг за другом (рис. 28).

Закалка непрерывно-последовательным способом
Рис. 28. Закалка непрерывно-последовательным способом: а - на­чало нагрева при неподвижном индукторе; б - продолжение на­грева при движении индуктора и подаче охлаждающей жидкости; в - положение в момент включения при закалке «находом»; г- про­должение закалки «находом»

Охлаждающая жидкость подается на нагретую поверхность из душевой камеры, часто являющейся полостью индуктирующего провода. При непрерывно­-последовательном способе закалки время нагрева определяется приближенно

Время нагрева при непрерывно-последовательном способе

где l1 - ширина индуктирующего провода; v - скорость пере­мещения индуктора (или детали).

Вследствие растекания тока под индуктором реальное время нагрева больше расчетного tK, особенно при малой ширине про­вода, соизмеримой с зазором индуктор-деталь.

Мощность генератора в этом случае следует увеличить на 20% для компенсации утечки тепла от зоны нагрева к зоне охлаждения.

Непрерывно-последовательный способ позволяет закалить большие поверхности при сравнительно малых мощностях. Оче­видно, что производительность закалки при этом пропорционально уменьшается. Пользуясь табл. 21 и графиками рис. 25-27, можно выбрать частоту тока, рассчитать потребные мощности и скорость перемещения при заданных условиях на закалку так, как это было проделано для одновременной закалки. Можно также путем подбора ширины индуктирующего провода обеспечить режим закалки при заданном типе генератора. Например, тре­буется закалить внутреннюю поверхность гильзы цилиндра дви­гателя внутреннего сгорания. Внутренний диаметр гильзы d2 = 144 мм, толщина стенки т2 = 12 мм, длина зоны, подлежащей закалке, l2 = 330 мм, требуемая глубина закаленного слоя хк = 2,2ч2,5 мм.

По табл. 21 выбираем частоту тока 8000 Гц. Зазор между индуктором и деталью 3 мм. По графику рис. 26 находим время нагрева, обеспечивающее глубину закаленного слоя в 2,2- 2,5 мм, tK = 2ч3 с и удельную мощность р0 = 1,71ч,5 кВт/см2.

Если имеются два генератора ВПЧ 100-8000 по 100 кВт, можно найти предельную ширину активного индуктирующего провода (индуктор с магнитопроводом):

Расчет параметров индуктора

К. п. д. индуктора 75%. Скорость движения индуктора равна

Скорость движения индуктора

Время движения индуктора с нагревом

Время движения индуктора с нагревом

Можно подсчитать и производительность закалки, если учесть время на перестановку детали.

3. Индукторы для закалки

Индуктор имеет ряд обязательных основных элементов (рис. 29): индуктирующий провод, создающий магнитной поле (1); токо­подводящие шины (2); колодки, служащие для соединения индук­тора с понижающим трансформатором (3).

Индуктор для одновременной закалки
Рис. 29. Индуктор для одновременной закалки: а - при средней частоте; б - при радиочастоте

При одновременной закалке зазор между закаливаемой поверх­ностью и индуктирующим проводом не должен превышать 5- 10% от диаметра закаливаемой детали и не должен быть больше 10-15% ширины закаливаемого слоя. Когда вращение детали не предполагается, желательно иметь зазор не менее 2-3 мм. Увеличение зазора уменьшает к. п. д. и коэффициент мощности индуктора. Ширина индуктирующего провода выбирается на 10-20% больше ширины закаленного слоя. Толщина меди индук­тирующего провода, если отсутствует постоянное охлаждение, должна быть в 2,5-4 раза больше требуемой глубины закален­ного слоя, но не свыше 12 мм; т1 (2,5÷4) хк. Это обеспечивает допустимое повышение температуры индуктирующего провода во время нагрева.

Отверстия для закалочной воды просверливаются диаметром 1,5-2 мм в шахматном порядке при расстоянии между центрами 7-12 мм. Воду подают через камеру, припаянную с внешней стороны индуктирующего провода. Токоподводящие шины вы­полняются из листовой меди толщиной 2-5 мм. Ширина шин у колодок, служащих для присоединения к закалочному транс­форматору, должна быть равна высоте выводов вторичной обмотки трансформатора. Расстояние между шинами не следует увеличи­вать свыше 2-3 мм, так как при этом возрастает индуктивность шин. Длина их должна быть в пределах 100-150 мм. Увеличи­вать длину шин без особой надобности не рекомендуется.

При непрерывно-последовательной закалке индуктирующий провод выполняется из медной трубки прямоугольного сечения, непрерывно охлаждаемой водой. Толщина трубки, выбирается близкой к оптимальной, ширина провода - как указано в примере. Вода или эмульсия для охлаждения под закалку подается через отверстия, расположенные по окружности на одной из гра­ней индуктирующего провода. Угол падения струи воды на по­верхность детали не должен превышать 45°. Часто для охлажде­ния используют специальный спрейер (душевое устройство), который крепится на индукторе после индуктирующего провода. Иногда дополнительно устанавливается кольцо с такими же отверстиями, как и на индуктирующем проводе, через которые подается воздух, предотвращающий попадание воды на нагретую поверхность. Воздушное кольцо и спрейер изолируются от токо­ведущих шин индуктора или изготовляется из токонепроводящих материалов (нейлон).

4. Индукторы с магнитопроводом
Индуктор с магнитопроводом
Рис. 30. Индуктор с магнитопроводом: а - для нагрева внутрен­них поверхностей; б - для нагрева плоских поверхностей

Магнитопровод (рис. 30) применяется для вытеснения тока в сторону открытого паза, главным образом, при закалке внутрен­них или плоских поверхностей, а также в случаях, где требуется неодинаковая степень нагрева. Без магнитопровода ток в силу кольцевого эффекта концентрируется на внутренней, удаленной от нагреваемой детали, поверхности индуктирующего провода, напряженность поля на поверхности детали падает и к. п. д. индуктора резко уменьшается. Магнитопровод изготовляют из пластин трансформаторной стали марки Э42 или Э44 толщиной 0,2 или 0,35 мм. Для радиочастоты используют ферриты. Ширина паза в магнитопроводе выбирается равной заданной ширине нагретой полосы. Индукция в магнитопроводе не должна пре­вышать 5000 Гс при частоте до 2500 Гц, 3000 Гс при 8000 Гц и 1000 Гс при радиочастотах (ферриты). При больших значениях индукции требуется специальное охлаждение магнитопроводов.

Индукция в магнитопроводе

Индукция в магнитопроводе

где U10 - напряжение на единицу длины индуктирующего про­вода (с магнитопроводом), В/см; gc - коэффициент заполнения стали, можно принять gc - 0,8; с' - ширина башмака, см.

Для индукторов с магнитопроводом при нагреве стали под закалку с зазорами 4-6 мм напряжение и ток индуктора без большой ошибки можно вычислить следующим образом:

для частоты 2500 Гц

Напряжение и ток индуктора

для частоты 8000 Гц

Напряжение и ток индуктора

Здесь Iи0 - ток в индукторе на 1 см ширины паза; р0 - удельная мощность, передаваемая в деталь, кВт/см2; U10 - на­пряжение на 1 см длины индуктирующего провода.

К. п. д. индукторов с магнитопроводом в среднем 80%.

Пример. Найти параметры индуктора для закалки внутренней поверхности гильзы. Ширина провода 1,2 см, ширина паза 1,4 см, R1 = 7,2 см, δ = 0,4 см. Мощность генератора 200 кВт, частота 8000 Гц (условия закалки такие же, как в предыдущем примере).

Расчет параметров индуктора

Напряжение на индукторе U1 = 2πR1U10 = 2π·7,2·1,7 = 77 В.

Ток в индукторе: Iи = Iио = 4550 А.

Расчет параметров индуктора
 
Расчет параметров индуктора

Ширина башмака магнитопровода

Расчет параметров индуктора

Для цилиндрических индукторов без магнитопровода напря­жение и величину тока можно найти из графиков рис. 31-33 и рис. 34:

Расчет параметров индуктора

Здесь Ри - мощность, подводимая к индуктору, кВт; Ри0 - мощность, для которой приведены графики (Ри0 = 100 или 60 кВт); U'1, I'1 - значения из графика рис. 31-34, где зазор между индуктором и нагреваемым цилиндром принят равным 0,3 см; цифры на кривых указывают ширину индуктирующего провода в сантиметрах.

Зависимость напряжения и тока в индукторе от диаметра
Рис. 31. Зависимость напряжения на индуктирующем проводе U'1 и тока в индуктора I'1 при частоте 2500 Гц и мощности Рио = 100 кВт от диаметра одновиткового индуктора
Зависимость напряжения и тока в индукторе от диаметра
Рис. 32. Зависимость напряжения на индуктирующем проводе U'1 и тока в индукторе I'1 при частоте 8000 Гц и мощности Рио = 100 кВт от диаметра одновиткового индук­тора; 1-10 - ширина активного провода, см
Зависимость напряжения и тока в индукторе твч от диаметра
Рис. 33. Зависимость напряжений на индуктирующем проводе U'1 и тока в индукторе I'1 при частоте 70 кГц и мощности Рио = 100 кВт от диаметра одновиткового индуктора
Зависимость напряжения и тока в индукторе от диаметра
Рис. 34. Зависимость напряжения на индуктирующем проводе U'1 и тока в индукторе I'1 при частоте 440 кГц и мощности Рио - 60 кВт, подводимой к индуктору, от диаметра одновитко­вого индуктора

Для того чтобы определить напряжение на индукторе, следует учесть падение напряжения на токоподводящих шинах. Обычно оно равно ΔU = (0,15ч0,25) Ula, где Ula - напряжение на ак­тивном проводе одно-, двухвиткового индуктора.

Индукторы для закалки на радиочастоте имеют более легкие конструкции, поскольку ток индуктора меньше, чем при звуковых частотах.

Индуктирующий провод можно изготовлять из трубки с тол­щиной стенки в 1 и даже 0,5 мм. Легкость конструкции и про­стота изготовления индукторов составляют весьма важное пре­имущество применения ламповых генераторов при мелкосерийном производстве.

5. Рекомендации по применению индукционной поверхностной закалки

Индукционная поверхностная закалка нашла самое широкое применение для упрочнения поверхности шеек коленчатых валов, гильз цилиндров, распределительных валиков, клапанов и дру­гих деталей двигателей внутреннего сгорания, шлицевых валов, валиков переключения коробки передач, шестерен (тепловозов, экскаваторов, металлообрабатывающих станков), прокатных вал­ков, направляющих станин, рельсов и т. п.

Опыт внедрения этого метода поверхностной закалки позво­ляет рекомендовать его:

1. Во многих случаях вместо цементации. Стоимость термо­обработки при этом снижается примерно в пять раз. Сокращается общий цикл термообработки до секунд вместо часов. Легирован­ные стали заменяются на простые углеродистые без ухудшения меха­нических свойств. Коренным образом улучшаются условия труда. Процесс термообработки может быть автоматизирован и включен в поток или автоматические линии.

2. В тех случаях, где по условиям работы допускается местная закалка, этот метод позволяет вести процесс закалки с высоким термическим к. п. д. и исключает необходимость защиты мест, не подлежащих закалке.

3. Для упрочнения поверхности деталей, термообработка ко­торых обычным способом невозможна или трудоемка (коленчатые валы, крупные валы, шестерни и т. п.).

4. В автоматических линиях, требующих четкого согласования работы устройств для термообработки деталей со станками меха­нической обработки. Особенно важной является возможность зна­чительного сокращения габаритов закалочных устройств.


Источник: "Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок" Шамов А. Н., Бодажков В. А.

Назад

Поиск

RSS ЭЛИСИТ 

Последние новости

23.05.2017
Индукционный нагреватель твч, установка твч индукционного нагрева,  закалка твч,  пайка, печь твч, термообработка ... Лучшая компания России
Компания "ТЕСЛАЙН ИНДАКТИВ" награждена почетной медалью «Национальный знак качества. Выбор России» в рейтинге "ЛУЧШАЯ КОМПАНИЯ РОССИИ — 2016" ...
Подробнее...

09.01.2017
Индукционный нагреватель твч, установка твч индукционного нагрева,  закалка твч,  пайка, печь твч, термообработка ... Модернизированная китайская установка
Инженерами ТЕСЛАЙН выполнен ремонт и модернизация установки индукционного нагрева мощностью 60кВт в двухблочном исполнении производства КНР (Китай)
Подробнее...

20.07.2016
Индукционный нагреватель твч, установка твч индукционного нагрева,  закалка твч,  пайка, печь твч, термообработка ... Услуга закалки ТВЧ
Услуги закалки ТВЧ деталей в новом цехе на производственной площадке ООО "ТЕСЛАЙН ИНДАКТИВ", г.Томск. Выполнение срочных заказов.
Подробнее...

Фотостена

Индукционный нагрев, установки ТВЧ индукционного нагрева, печи ТВЧ, индукционный нагреватель

Индукционная пайка ТВЧ установка

ТВЧ закалка трубы индуктор