Методы обработки металлов

Методы обработки металлов путем нагрева их в быстропеременных электромагнитных полях сравнительно недавно начали входить в промышленную практику.

В 1913 г. фирма Лоренц начала опыты с бессердечниковыми индукционными печами. В 1915-1916 гг. по инициативе доктора Нортрупа фирма Аякс (Ajax) выпустила на рынок первые бессердечниковые высокочастотные печи. В эти же годы индукционный нагрев стал применяться в электровакуумной промышленности для прогрева деталей радиоламп во время откачки.
 
До 1933 г. индукционный нагрев промышленно применялся только в этих двух областях: для плавки металлов и для обезгазования электровакуумных приборов.
 
Лишь в самые последние годы наметились новые революционизирующие технологию металлообработки применения индукционного нагрева — поверхностная закалка стали , поверхностное легирование, механическая обработка с подогревом. Кроме того, этим методом нагрева стали пользоваться в химической промышленности, в производствах твердых соединений и абразивов, в производстве кварцевого стекла и т. д.
 
Между тем явление нагрева металлических тел в переменных магнитных полях стало впервые изучаться как физический феномен еще в эпоху первых работ Фарадея над электромагнитной индукцией.
 
Электромагнитная теория Максвелла дала методы вычисления распределения вихревых токов. (Правда, сам Максвелл детальных расчетов не производил. В 1872 г. он только вычислил распределение токов в бесконечно тонкой пластинке).
 
В 1880 г. Генрих Герц в своей блестящей диссертации «Об индукции во вращающихся шарах» дал детальный анализ законов циркуляции вихревых токов. Им был в сущности создан вполне разработанный математический аппарат для точного расчета явлений, связанных с вихревыми токами. Современные методы расчета распределения вихревых токов представляют собой в значительной мере упрощение методов, которыми пользовался Герц.
 
Такой многолетний (свыше 50 лет) разрыв между теоретической проработкой вопроса и его практическими приложениями объясняется рядом причин.
Количество тепла, выделяемого вихревыми токами, зависит от частоты перемен магнитного поля. При тех частотах, которые могли быть получены к началу XX в. с помощью вращающихся машинных генераторов, концентрация тепловой энергии, выделяемой вихревыми токами, настолько мала, что этот способ нагрева не имел абсолютно никаких преимуществ перед другими способами электронагрева.
 
При низких частотах нечего, например, даже мечтать получить индукционным нагревом такие концентрации тепловой энергии, какие дает вольтова дуга. При промышленных частотах (50-60 гц) даже в больших железных массивах при практически достижимых индукциях в несколько тысяч гаусс плотность энергии, выделяемой вихревыми токами, не превышает нескольких ватт на квадратный сантиметр.
 
Пионеры электротехники изучали вихревые токи лишь под углом зрения того вреда, который эти токи приносят, нагревая сердечники динамомашин и трансформаторов.
Призывы отдельных прозорливых ученых гиперболизировать это явление — увеличить тепло, выделяемое вихревыми токами, настолько, чтобы оно смогло произвести полезный технологический эффект, — не находили практического отклика.
 
Вихревые токи в металлических массивах впервые начали промышленно применяться для целей торможения. И ныне в измерительной технике тормозы с вихревыми токами занимают прочное место. Для торможения мощных моторов прокатных станов применяются электромагниты, возбуждающие вихревые токи в массивных чугунных маховиках.
 
Стремительное развитие радиотехники вызвало к жизни генераторы токов высокой частоты: искровые, дуговые, машинные и, наконец, генераторы с электронными лампами.
Первые высокочастотные генераторы были дороги и недолговечны. Их амортизация ложилась тяжелым бременем на стоимость эксплуатации высокочастотной установки. 20-30 лет тому назад 1 квт.ч энергии высокочастотного тока стоил в несколько десятков раз дороже, чем 1 кет • ч постоянного тока или тока 50 гц.
 
Только радиотехника могла позволить себе такую роскошь: возможность установления связи посредством беспроволочной линии оправдывала применение сколь угодно дорогой электроэнергии.
 
К началу 30-х годов в результате длинного пути развития, проделанного радиотехникой, стоимость энергии тока высокой частоты (вплоть до 108 гц) снизилась до двух — четырехкратной стоимости энергии тока промышленной частоты. Ламповые генераторы высокой частоты начали строиться на мощности в несколько тысяч кило-ватт. Они стали просты и надежны в эксплуатации. Следовательно, лишь с этого времени высокочастотный ток — этот высококвалифицированный вид электрической энергии—мог рассчитывать на широкое промышленное применение.
 
Но не только несовершенство генераторов высокой частоты мешало применению индукционного нагрева в промышленной практике. Металлопромышленность прошлых десятилетий еще не созрела для восприятия этого изощренного технологического приема. Основным конструкционным материалом, применявшимся в те годы для всевозможнейших сооружений, начиная с рельсов и деталей машин и кончая пушками, была мягкая сталь (0,4% С). Запасы прочности были велики, изучение напряжений в деталях механизмов не зашло настолько далеко, чтобы можно было поднять вопрос о необходимости местного их упрочнения. А малые скорости работы машин и механизмов предопределяли малый износ их из-за истирания.
 
Развитие авто- и авиастроения было одним из толчков, поведших к разработке новых высокопрочных сложных легированных сталей. Уменьшились коэффициент незнания и запасы прочности при конструировании новых агрегатов и механизмов. Рабочие скорости возросли во много раз. Для борьбы с износом вследствие истирания стало усиленно применяться поверхностное упрочнение участков деталей, подверженных трению.
 
Наиболее старые методы частичного упрочнения — это химико-термическая обработка (цементация, нитрирование, цианирование) и электролитические покрытия.
Другой способ частичного упрочнения — зональная термообработка: не меняя состава материала изделия, можно получать разные свойства в отдельных его участках, создавая для них разные условия нагрева и охлаждения. Зональная термообработка при помощи внешних источников тепла — газовых горелок, свинцовых и соляных ванн — известна уже в течение нескольких десятилетий.
 
Но и химикотермическая обработка, требующая длительного времени (например, цементация коленчатого вала длится около 30 ч), и зональная термообработка внешними источниками тепла, качество которой зависит от искусства рабочего, не могут полностью удовлетворить требованиям современного массового производства.
Кроме того, массовое производство породило спрос на высокопроизводительные методы нагрева под ковку и штамповку.
 
Таким образом, к началу 30-х годов созрели предпосылки для широкого внедрения индукционного электронагрева в металлопромышленность.
Воплощение в жизнь носившихся в воздухе технических идей протекало подобно выпадению кристаллов из сильно пересыщенного раствора. Работы начались независимо в целом ряде лабораторий и очень быстро привели к практическим результатам.
 
В нашем Союзе применение электротока для поверхностного упрочнения стало изучаться с 1930 г. по инициативе проф. В. Н. Гевелинга.
 
В 1933 г. в американских журналах появились статьи Нортрупа о применении индукционного нагрева для термообработки металлов. В этих статьях, правда, Нортруп вынужден был (по его же словам) выступать «скорее как пророк, чем как историк». Все же он довольно детально разобрал основные возможности индукционного нагрева в области поверхностной закалки (для валов холодной прокатки, коленчатых валов двигателей), механической обработки, поверхностного легирования.
 
В 1935 г. по инициативе инж. Б. Н. Романова и Б. Н. Орлова были начаты работы по поверхностной закалке в лаборатории проф. Вологдина. В то же время в американских и английских журналах начали появляться статьи о работах фирмы Тос-с —The Ohio Crankshaft Co. в области поверхностной закалки. В 1936 г. Токко удалось наладить массовую закалку шеек коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания.
 
В 1936 г. автором совместно с инж. М. Г. Лозинским было начато изучение индукционного нагрева для целей термообработки в лаборатории завода «Светлана». Позднее появляется поверхностная электрозакалка в западноевропейских странах. В Германии первые сведения об установках поверхностной высокочастотной закалки относятся к 1939 г.
 
В эти же годы начали множиться применения токов высокой частоты для нагрева под ковку и штамповку для пайки и сварки, частичного отпуска и поверхностного легирования.
 
Быстрота, с которой индукционный нагрев вошел в промышленный обиход, не имеет, пожалуй, прецедента в истории техники. Когда летом 1939 г. на Всесоюзной конференции по инструментальному делу демонстрировалась установка для поверхностной закалки, оказалось, что из тысячи участников конференции едва набрался десяток человек, видавших до того высокочастотный нагрев. А уже в 1940 г. на ряде заводов нашего Союза находились в промышленной эксплуатации высокочастотные закалочные установки.

Назад