Поверхностная закалка индукционным способом

Нагрев и охлаждение детали, напряжения и деформации

Рассмотрим процесс индукционной закалки стального цилиндра (рис.6). При протекании через индуктор переменного тока достаточно большой частоты в стальном цилиндре будет возбужден ток, быстро разогревающий его поверхностные слои. Поверхностный характер нагрева обусловлен законом распределения плотности переменного тока в массивном однородном проводнике. При этом наибольшая плотность тока будет иметь место на поверхности проводника, по мере удаления от поверхности плотность тока убывает (кривая 1), в сердцевине детали практически тока нет.

Крутизна спадания тока по глубине будет тем больше, чем выше частота тока, а также чем выше электропроводность стали и ее магнитная проницаемость; зависимость эта квадратичная. Электропроводность стали уменьшается с температурой нагрева, а магнитная проницаемость снижается с увеличением силы тока в индукторе, по достижении температуры точки кюри (768 °с) сталь теряет магнитные свойства, ее относительная магнитная проницаемость принимается равной единице.
Если деталь нагрета до температуры выше точки кюри, то спадание плотности тока по мере удаления от поверхности детали будет соответственно значительно более пологим (кривая 2).

В расчетах процесса индукционного нагрева стальных тел принято ориентироваться на так называемую величину «горячей» глубины проникновения переменного электрического тока в стальное тело бесконечных размеров. При этом относительная магнитная проницаемость стали считается равной единице, а размеры тела (диаметр, толщина) принимаются настолько большими, что закон распределения плотности тока по глубине будет несущественно отличаться от экспоненциального.
 За глубину проникновения тока принимают расстояние, пер­пендикулярное поверхности тела, на длине которого плотность падает в е раз (т. е. приблизительно в 2,72 раза). В пределах слоя этой глубины выделяется около 86% всей тепловой энергии, сооб­щаемой телу. Нагрев стали глубже происходит, в основном, только за счет теплопроводности от периферий­ного нагретого слоя внутрь к холод­ным слоям.

В пределах горячей глубины про­никновения при достаточной мощно­сти источника питания нагреватель­ного устройства поверхностный слой может быть доведен до закалочной температуры в течение нескольких се­кунд и даже долей секунды. Горя­чая глубина проникновения в сталь является для техники индукционного нагрева табличной - справочной ве­личиной.

Для стандартных частот тока, например 2,5 кГц, она принята рав­ной 10 мм, для частоты 10 кГц - 5 мм, 70 кГц - 2 мм.

Для нагрева под поверхностную закалку наиболее характерной яв­ляется промежуточная стадия нагре­ва. В этой стадии слой некоторой глубины нагрет выше темпера­туры магнитного превращения и плотность тока в нем (кривая 5) спадает полого. Сердцевина еще сохранила магнитные свойства, плотность тока в ней спадает круто, соответственно холодной стадии нагрева (кривая 1).

Конечной целью процесса нагрева является доведение тем­пературы поверхностного слоя заданной глубины до закалочной в заданный интервал времени.

 Рис.7. Распределение температуры по глубине х в стальном цилиндре Ø25мм,нагретом током средней частоты

Для закалки на заданную глубину с точки зрения минималь­ных затрат энергии идеальным был бы нагрев с так называемым «прямоугольным» распределением температуры (см. abcO, рис. 7). Так как процесс нагрева массивного тела неизбежно связан с передачей теплоты из нагреваемого слоя вглубь и посколь­ку нужно нагреть заданный слой несколько выше и глубже, то распределение температуры, представленной четырехуголь­ником 1bd'O, будет достаточно близко к реально воз­можному.

 Рис. 8. Распределение температуры по глубине х в стальном цилиндре Ø25 мм, нагретом при частоте 8 кгц, через 2; 3 и 4,3 с (а), а также в процессе охла­ждения в воде через каждую секунду (б)

На рис. 8, а представлено характерное для практики поверх­ностной закалки распределение температуры по сечению сталь­ного цилиндрического образца Ø25 мм (сталь типа 45) при нагреве током звуковой частоты (8 кГц), зафиксированное с по­мощью осциллографа и термопар [11] через 2; 3 и через 4,3 с после включения нагрева. На второй секунде нагрева поверх­ность цилиндра достигает температуры аустенизации (~780°С), еще через 2,3 с (конец нагрева) температура поверхности до­стигла ~980 °С, центра - 320 °С, а аустенитное превращение рас­пространилось на глубину 3,5 мм, что составляет ~70% глу­бины горячего проникновения тока данной частоты. Мы имеем здесь случай нагрева цилиндра сравнительно малого диаметра при частоте тока, для которой горячая глубина проникновения превосходит 20% от диаметра. Поэтому тепловой поток быстро достигает сердцевины цилиндра, ее температура растет. В осталь­ном кривая распределения температуры близка к четырехуголь­нику, 1bd'O (см. рис. 7). Особое внимание следует обратить па участок 1-2 (рис. 8) на большей части глубины слоя, подлежа­щего закалке, или, по крайней мере, на половине глубины горя­чего проникновения, где кривая температуры после перегиба и в области закалочных температур идет уже достаточно полого.

Пологость участка 1-2, обусловленная распределением плот­ности тока (см. кривую 3, рнс. 6), позволяет осуществлять высо­копроизводительный и экономичный нагрев с минимальной затра­той теплоты на нагрев сердцевины.

Соотношение горячей глубины проникновения и заданной глу­бины закалки, равное 2 : 1, принято считать для нагрева под по­верхностную закалку, как оптимальное, хотя и некритичное. При нагреве с внешними источниками (газопламенной горелкой, в соляной ванне) или при нагреве током весьма высокой радиоча­стоты (f = ∞) этот участок отсутствует.

Первым и наиболее значительным показателем экономичности процесса нагрева под поверхностную закалку в отношении энер­гетических затрат является термический к. п. д. нагрева, равный полезной энергии Wп, отнесенной к общему количеству энергии Wo₁ сообщенной детали в процессе нагрева (кВт∙с).

Проиллюстрируем геометрически понятие термического к. п. д. нагрева на следующем примере. Кривая 1-2-b-3 (см. рис. 7) построена с квадратичной шкалой оси абсцисс, как это следует для цилиндри­ческих тел. Полезная энергия пропорцио­нальна площади q_п прямоугольника ОаЬс.

Полная сообщенная телу энергия про­порциональна площади криволинейного четырехугольника 1deO. Потери энер­гии на нагрев сердцевины q₁ пропорцио­нальны площади фигуры bdec, а пло­щадь фигуры a1b представляет в том же масштабе потери энергии q₂ на перенагрев слоя выше температуры закалки.

Тогда термический к. п. д. нагрева будет

k = W_п/W_o= q_п /(q_п+ q₁ + q₂).

Вычисление дает k = 0,55. При особо неблагоприятных соотношениях (закал­ка массивных деталей по радиочастоте и т. п.) k < 0,2.

При попытках осуществить нагрев под поверхностную закалку ТВЧ за время по­рядка нескольких минут потери теплоты во внешнюю среду становятся суще­ственными. Кривые распределения темпе­ратур у поверхностных слоев при этом получают характерный загиб вниз, сви­детельствующий об обратном направлении теплового потока: от толщи активного слоя к поверхности (рис. 9).

Величина термического к. п. д. свидетельствует о правильном или неправильном (с энергетической точки зрения) выборе ре­жима нагрева-частоты источника питания, времени нагрева, температуры нагрева поверхности.

Режим нагрева при выбранной конечной температуре поверх­ности и частоте задается средней (за период нагрева) величиной энергии, сообщаемой детали в единицу времени

Р_д = W_o/t_н;

или ее величиной, отнесенной к площади нагреваемой поверхно­сти S, исчисляемой в кВт/см²,

р_д =W_o/(t_н S).

Когда слой заданной глубины прогрет до необходимой темпе­ратуры с соблюдением условий скорости нарастания температуры в области фазовых превращений, индуктор может быть обесто­чен, начинается охлаждение детали.

Рассмотрим рис. 8, б, где представлено распределение темпе­ратур по сечению цилиндра на 1-5 с процесса охлаждения при исходной кривой, являющейся зеркальным отражением рас­пределения температуры конца нагрева (жирные линии). В дан­ном случае охлаждение осуществлялось в спокойной воде, в ка­лориметре, куда образцы сбрасывались после конца нагрева. Начиная примерно с первой секунды процесс охлаждения уста­новился. Как видно из рис. 8, б, несмотря на интенсивную отдачу теплоты с поверхности в воду, распространение теплоты внутрь продолжалось в течение значительной части периода охлаждения. Наибольшее продвижение внутреннего фронта тепловой волны зафиксировано на третьей секунде охлаждения, когда темпера­тура на поверхности упала приблизительно до 350 °С; при этом глубина слоя, прогретого до закалочной температуры, увеличи­лась до 4 мм (точка b' (рис. 8,6), а глубина слоя, прогретого до 600 °С, возросла до 6,5 мм (точка 3') После того как температу­ра поверхности установилась (кривая для 5с длительности охлаждения), продолжается дальнейший отбор теплоты из де­тали.

Обычно полностью деталь не охлаждают, чтобы после окон­чания активного охлаждения (под душем, в воде) при дальней­шем нахождении на воздухе температура детали выравнялась до уровня, достаточного для самоотпуска на заданную твер­дость.

Исследование твердости образцов, закаленных по описан­ному режиму, показало (в соответствии с отметками b' и 3' на рис. 8,6), что глубина закаленного слоя равна 4 мм с переход­ным слоем 2,5 мм; т. е. исходная твердость образца в сердцевине сохранена, начиная с 6,5 мм от поверхности. Выбором закалоч­ной жидкости (вода техническая умягченная, вода с добавками органических полимеров и т. п., водовоздушная смесь, масло) и способа ее подачи (душ, поток, спокойное состояние) можно в широких пределах регулировать скорость охлаждения поверхно­сти. Тем самым можно изменить скорость охлаждения для пред­отвращения трещин в шлицах, пазах, отверстиях и выточках. Ре­жим охлаждения имеет особенно важное значение при закалке легированных сталей. Закалка в масло не всегда удобна и небез­опасна в пожарном отношении. Ярославским моторным заводом успешно введена в практику закалка водным раствором поли­акриламида ТУ6-01-1040-76 [3]. Известно также применение различных патентованных средств, таких, как аква-пласт (ГДР) османил (ФРГ).

Быстрый поверхностный нагрев с большими градиентами тем­пературы и резкое охлаждение вызывают в обрабатываемых де­талях напряжения и остаточные деформации. Введение операции правки, окончательного шлифования осложняет производствен­ный процесс.

Остаточные напряжения при поверхностной закалке ТВЧ, упроч­няющие деталь, могут в отдельных случаях оказать разупрочняющее действие.

При закалке на относительно малую глубину массивного ко­роткого цилиндра с соблюдением симметрии нагрева и охлаждения, остаточные напряжения, весьма значительные по величине, взаимно уравновешены. Остающаяся ненагретой сердцевина мо­жет противостоять искривлению детали. При поверхностной индукционной за­калке тонкостенного цилиндра, длина и диаметр которого в несколько раз больше толщины, под действием осевой составляю­щей остаточных напряжений изменяется диаметр детали по дли­не, образуется так называемая «корсетность» или «бочка». Коль­цевая асимметрия вызывает овальность. Закалка узких колец типа фрикционных дисков и других подобных деталей вызывает деформацию типа «зонтик» или «восьмерка». При закалке асим­метричных деталей (шейка коленчатого вала со щеками, кулачок распределительного вала) последующая правка неизбежна. В этом случае можно стремиться лишь к минимальной деформации для облегчения правки и сужения поля допуска на окончательное шлифование. Такие асимметричные детали, как рельс (с высоким самоотпуском), направляющие станин металлорежущих станков, перед закалкой принудительно упруго деформируют, частично компенсируя коробление.

Трудность разработки технологического процесса и оснастки состоит в обеспечении равномерности нагрева и охлаждения при закалке. Известно, что в зоне подвода токоподводящих шин маг­нитное поле индуктора обычной конструкции искажено, вслед­ствие чего нагрев поверхности детали против токоподводов не­сколько ослаблен. Если цилиндрическая деталь установлена экс­центрично в индукторе, то там, где зазор увеличен, зона нагрева бывает несколько размытой, глубина закалки получается мень­шей. В результате возникшей асимметрии нагрева длинная де­таль будет искривляться в сторону меньшего зазора, еще более приближаясь к индуктирующему проводу. Незначительная вна­чале асимметрия нагрева искривляет деталь, самопроизвольно из­меняет ее центровку в индукторе, еще более увеличивая асим­метрию нагрева. Деформация лавинообразно нарастает. Поэтому при поочередной закалке шеек коленчатого вала (или кулачков и других элементов распределительного вала) имеет место увели­чение деформации от шейки к шейке. Очередность закалки участ­ков детали заметно влияет на деформацию и может быть выбра­на более выгодной. Неравномерность охлаждения также служит причиной деформации.

Вращение детали во время нагрева устраняет асимметрию нагрева и охлаждения при условии, что деталь вращается без эксцентриситета (биения). Детали, которые нельзя или затруд­нительно вращать в процессе термообработки, либо жестко за­крепляют в люнетах для уменьшения их поводки при нагреве и охлаждении, либо применяют подвижные блоки индуктор - де­таль со специальными трансформаторами облегченной конструк­ции, смещающиеся вместе с деталью так, что зазор между ин­дуктором и нагреваемой поверхностью не меняется. Эти меро­приятия обычно уменьшают деформацию.

Закалочные трещины и сколы закаленного слоя непосред­ственно связаны с остаточными напряжениями, но основной при­чиной здесь является неравномерность структуры, местный пере­грев с образованием крупно-игольчатого мартенсита, дефекты охлаждения, особенно при сложной геометрии детали. Закалка с самоотпуском при этом является совершенно необходимой, хотя

и нe заменяет полностью последующей операции низкого отпу­ска в печи.

Самоотпуск неэффективен для тонкостенных деталей, в кото­рых запас теплоты недостаточен. Самоотпуск неравномерен по объему закаленного слоя и происходит в недостаточной мере на границе закаленной зоны близ холодных массивных частей, где желательно ослабить напряженное состояние.

Для ускорения и удешевления термообработки, особенно в автоматических линиях, для простых по геометрии массивных де­талей из углеродистых и низколегированных сталей самоотпуск находит применение без последующего низкого отпуска.

Индукционная закалка при одновременном нагреве

Выше описывался так называемый способ поверх­ностной закалки при одновременном нагреве, когда нагреву и последующему охлаждению подвергается сразу весь участок по­верхности, подлежащей закалке. Процесс одновременной закалки прост и производителен, предпочтителен для автоматических линий.

Для одновременного нагрева требуется закалочная установ­ка, мощность которой соответствовала бы площади поверхности, подлежащей закалке, однако заданная производственная про­грамма по данной детали должна быть достаточно велика для рентабельного использования мощной установки по времени.

Процесс нагрева при данной частоте и прочих условиях опре­деляется средним значением удельной мощности нагрева (в квт/см²), т. Е. Энергией, сообщаемой в единицу времени на­греваемой детали, отнесенной к единице нагреваемой поверхности.

Зависимость удельной мощности нагрева от глубины закален­ного слоя при стандартных значениях частоты, а также отметки времени нагрева, вычисленные для плоской стенки бесконечных размеров, представлена на рис. 10. Вычисления произведены по методу проф. А. Е. Слухоцкого [5]. Конечная температура по­верхности принята 900 °с, температура начала аустенизации - округленно 750°с. Теплопроводность, температуропроводность и плотность выбраны средними в области температур 0-900 °с для стали 45. Цифровые индексы, обведенные прямоугольником, обо­значают частоту тока в кГц.

 На рис. 10 приведен график для бесконечно большой частоты (⌠ = ∞) или для газопламенного нагрева, когда зависимость удельной мощности от глубины закаленного слоя имеет вид:

Р_д = а₁ / х_к ,

а время нагрева

T_н = а₂ х²_к.

 Для большинства марок углеродистых малолегированных и среднелегированных сталей глубина прокаливаемости (табл. 1) не превышает 5 мм. Более глубокий прогрев целесообразен лишь для высоколегированных сталей. Закалка ТВЧ на глубину менее 1,2-1,5 мм редко требуется в практике, учитывая порядок де­формации деталей, припуски на шлифование.

 Время нагрева различных деталей точной механики и часо­вого производства (оси, трибки, зубчатые рейки) вследствие ма­лой возможной глубины закалки может исчисляться миллисекун­дами. В большинстве случаев использование быстрого нагрева (1¹/₂ -2с) сопряжено с рядом неудобств. Время замены закален­ной детали, т. Е. Время паузы в работе нагревательных устройств, становится сравнимым с временем нагрева.

Индукторы, индуктирующий провод которых выполнен из трубки, не должны использоваться при удельной мощности на­грева более 1,5 квт/см², когда мощность потерь в активном про­воде приближается к максимально допустимой.

Для сплошных и полых цилиндров наиболее употребитель­ных диаметров, а также для тонких пластин при длительном на­греве вследствие теплового подпора основная масса детали про­гревается до недопустимо высокой температуры. Сказанное не относится к закалке больших валков холодной прокатки и дру­гих очень массивных деталей. По графикам рис. 10 можно ориен­тировочно определить режим нагрева для крупных деталей. Для деталей с меньшим диаметром или малой толщиной стенки

(разбив их, например, на группы) в определенных пределах мож­но рассчитать и построить ряд аналогичных графиков. При этом оказывается, что в нужной для практики области удельная мощ­ность мало возрастает с уменьшением толщины или диаметра де­тали.

Время нагрева существенно зависит от толщины или диа­метра нагреваемой детали, поэтому необходимы несколько гра­фиков (каждый график для определенной толщины или диа­метра детали). Для упрощения предлагается использовать до­полнительное построение к графику рис. 10.

Задание и контроль режима нагрева по времени предпола­гает повторяемость мощности нагрева на некотором постоянном уровне или повторяемость закона изменения мощности во время нагрева в выбранных пределах. Отклонения от этого, вызывают перегрев или недогрев. Точность и надежность реле времени определяют надежность и точность работы закалочной установки в целом.

В 1941 г. Чл-корр. Ан ссср проф. В. П. Вологдин выдвинул принцип дозирования нагрева одновременным способом по затра­ченной энергии. С помощью счетчика энергии, переделанного из реле максимальной мощности (благодаря интегрированию и за­висимой выдержке), обеспечивалось стабильное качество закалки в условиях значительных отклонений режима нагрева по мощно­сти и даже при колебаниях частоты. Известно применение дози­рования нагрева по энергии в установках американского произ­водства для закалки концов рельс.

Для выравнивания нагрева тел вращения в зоне галтелей, реборд, резких уширений получил распространение одновремен­ный нагрев «с растушевкой». По этому методу применяют слож­ные конструкции индуктирующего провода нагревательного ин­дуктора, состоящего из отдельных элементов, подобранных с та­ким расчетом, что при вращении детали нагрев всей подлежащей закалке поверхности выравнивается. Индуктирующий провод на­гревает только ту часть поверхности s₁, которая обращена к нему. Удельная мощность p₁ не может быть выше р₁ ≥ 1,5 квт/см². При вращении детали значение удельной мощно­сти усредняется на всю поверхность s, подлежащую закалке. От­ношение s/s₁ ≥ 3-4 не рекомендуется.

При вращении детали участки ее поверхности то проходят под индуктирующим проводом и температура их в это время резко поднимается, то выходят из-под провода, несколько под­стывая. Нагрев носит пульсирующий характер при усредняющем результате, соответствующем значениям р_д и t_н. За нагревом следует охлаждение. Практикуемая иногда задержка подачи охлаждения (как бы для выравнивания нагрева), связанная при поверхностной закалке с быстрым снижением температуры по­верхностных слоев за счет интенсивного отсоса теплоты внутрь, не может быть длительной и не эффективна для выравнивания температуры по поверхности.

Спрейерная система охлаждения, органически согласованная с индукционным нагревом, тем и ценна, что позволяет реализо­вать при быстром нагреве быстрое охлаждение, получить опти­мальную структуру и свойства закаленного слоя при использо­вании углеродистых или низколегированных сталей. Чаще всего спрейерное охлаждение осуществляется подачей закалочной жид­кости на нагретую поверхность через отверстия в активном про­воде. Отверстия диметром 2-3 мм (чтобы не слишком быстро зарастали отложениями и засорялись в процессе работы) свер­лятся с шагом ~ 10 мм. Если поверхность детали неподвижна относительно спрейера, то в местах попадания струй поверхность быстро охлаждается, а охлаждение рядом расположенных участ­ков замедлено. Поэтому в поверхностном слое детали против от­верстий спрейера обнаруживаются скопления мелких микротре­щин, муар, удаляемые при чистовом шлифовании. Засорение ка­кого-либо отверстия может быть причиной образования мягкого пятна. Вращение цилиндрической детали во время охлаждения ликвидирует этот недостаток спрейерного устройства. Для де­талей, которые вращать нельзя, рекомендуется дырчато-щелевой сирейер, отличающийся тем, что на поверхности спрейера, обра­щенной к закаливаемой детали, прорезаются щели шириной 0,5-1 мм и глубиной 2-3 мм, в которые выходят отверстия ø 2,5-3 мм. Струи закалочной жидкости, выходящие из отвер­стий, обжимаются в щели и сливаются в непрерывное «лезвие» потока жидкости. Щели отстоят друг от друга на расстоянии не более 5-7 мм. Микротрещины отсутствуют, если даже какое- либо из отверстий засоряется, поступление жидкости вдоль щели выравнивается за счет соседних струй. Назначение отверстий в дырчато-щелевом спрейере - придать направление падению струи на закаливаемую поверхность. Для охлаждения внутренней ци­линдрической поверхности целесообразно отверстия сверлить под некоторым углом. Касательная составляющая скорости струй создает внутри детали вращающийся поток; центробежная сила прижимает жидкость к охлаждаемой поверхности. При охлажде­нии наружной цилиндрической поверхности вращение потока жидкости отжимает ее от закалочной поверхности, как и паро­вая рубашка.

Недостатком спрейерного устройства является плохое исполь­зование закалочной жидкости. Жидкость, ударив в поверхность детали, сливается в поток, скользящий вдоль поверхности в за­зоре между деталью и индуктором, и быстро уходит вниз. Опыт показывает, что несмотря на наличие очень горячих брызг, тем­пература жидкости (в среднем за цикл) повышается всего на не­сколько градусов. Этим объясняется большой расход жидкости, подаваемой в спрейер. По интенсивности [8] различают душевое охлаждение водой с удельным расходом 0,12 л/с∙см², приходя­щимся на 1 см² закаливаемой поверхности, как «очень сильное», с расходом 0,05 л/с∙см² - «сильное», с расходом 0,015 л/с∙см² - «слабое». Расход жидкости и время охлаждения уточняют опыт­ным путем, стараясь, чтобы время охлаждения детали было не­сколько меньшим, чем время нагрева, и самоотпуск прошел над­лежащим образом. Охлаждение может быть продолжено при не­обходимости в дополнительном устройстве. Практически нет на­добности вести охлаждение с максимальной интенсивностью. Как только температура закаливаемой поверхности приблизится к температуре закалочной жидкости, подачу жидкости в спрейерное устройство можно уменьшить.

Необходимо иметь в виду, что спрейерные устройства обес­печивают подачу требуемого количества жидкости при падении

Давления на собственно спрейериом устройстве (отверстия, каме­ра, штуцеры), не превышающие десятых долей кгс/см². Обычно задаваемое давление в системе снабжения закалочной жидкостью 4-6 кгс/см² предусматривает падение давления на линии, в ре­гулировочных вентилях, электропневматических клапанах и в шлангах.

Основная часть задержек и неисправностей закалочной уста­новки приходится на систему подачи закалочной жидкости. От­каз на открытие или закрытие крана, пропускание жидкости в спрейер индуктора во время нагрева служат причиной брака при закалке.

После охлаждения закалка окончена, деталь поступает в от­пускную печь, если это предусмотрено технологией.

Закалка при непрерывно-последовательном нагреве

 Сближение зоны нагрева и зоны охлаждения на закаливаемой поверхности позволило создать так называемый процесс закалки при непрерывно-последовательном нагреве. Про­цесс заключается в том, что индуктор с током и конструктивно объединенный с ним спрейер с заданной скоростью перемещаются вдоль закаливаемой поверхности, зона нагрева и зона охлажде­ния следуют друг за другом (рис. 11). Мощность, подводимая к индуктору от высокочастотного генератора, выбирается для дан­ной скорости движения такой, чтобы каждый элемент нагретой поверхности, выходя из-под индуктора в зону охлаждения, был нагрет до требуемой температуры закалки.

Осциллограммы изменения температуры [9] при закалке не­прерывно-последовательным способом цилиндрического образца ø 48 мм стали 47гт в двухвитковом индукторе общей шириной 40 мм со спрейером представлены на рис. 12. Кривая 1 показы­вает изменение температуры, зафиксированной термопарой на поверхности, кривые 2 и 3 - на расстоянии 7,5 и 15 мм соответ­ственно, кривая 4 - в центре цилиндра. Все четыре термопары были приварены в одной диаметральной плоскости. Скорость движения детали в индукторе v = 6 мм/с. Зазор h между ин­дуктором и деталью был выбран равным 4 мм, что составляет 10% от ширины индуктирующего провода b_и. Начало отсчета времени нагрева взято условно.

 Конечная температура нагрева поверхности 850°с была достигнута па 16-й секунде нагрева (с произвольного начала отсчета времени). Ход изменения тем­пературы от времени, начиная с 400-500 °с и выше, подобен соответствующей зависимости при одновременном нагреве. По графику (рис. 12, а) следует, что под находящую кромку индук­тирующего провода элемент закаливаемой поверхности подходит уже подогретым ~ до 250 °с (на 9-й секунде отсчета). Замет­ный, хотя и медленный нагрев начался примерно на расстоянии от кромки индуктирующего провода, по крайней мере равном десяти зазорам между индуктором и деталью. Если мысленно спрямить кривую подъема температуры поверхности, как это по­казано штриховой линией, то по точке пересечения аппроксими­рующей штриховой линии с осью абсцисс (~ на 7-й секунде принятого отсчета времени), можно оценить время нагрева в ак­тивной зоне t_h ≈ 9 с. По эскизному расположению активного провода и спрейеров относительно кривой нагрева поверхности (рис. 12, б) в выбранном масштабе времени и длины следует, что процесс нагрева продолжается до момента попадания под первый ряд водяных струй душевого устройства, т. Е. На протя­жении, равном двум зазорам между индуктирующим проводом и деталью. Впереди индуктора, на некотором расстоянии от на­ходящего среза индуктирующего провода (~1,5-2 зазора), сле­дует условно учесть дополнительное уширение активной зоны

Нагрева, полагая, что именно в этих пределах происходит на­грев с усредненной удельной мощностью р_д. Тогда приближенно эквивалентное время нагрева элемента поверхности t_н можно вы­разить через ширину индуктирующего провода b_н, зазор между индуктором и деталью h и скорость движения детали в индук­торе v следующим образом:

T_н = [b_и+ (3,5÷ 4) h]/v.                                       (1)

Как и при одновременном нагреве в неподвижном индукторе с активным проводом той же ширины ь_и в течение времени t_н, с соответствующей удельной мощностью р_д и для ориентировоч­ного определения t_н и р_л по заданному диаметру или толщине детали и глубине закаленного слоя мы можем пользоваться уже описанными графиками рис. 17. Тогда искомая скорость движе­ния детали в индукторе будет

V = [b_и + (3,5 ÷ 4) h] /t_н.                                       (2)

Область возможных для практики режимов закалки при не­прерывно-последовательном нагреве также ограничена по макси­мальному значению удельной мощности (р_д ≤ 1,5 квт/см²) во избежание перегорания активного провода индуктора. Минималь­ная удельная мощность задается минимальной скоростью движе­ния детали в индукторе. При непрерывно-последовательном на­греве под закалку скорость охлаждения пропорциональна скоро­сти движения детали в индукторе. Поэтому детали из низколеги­рованных сталей редко закаливают при скорости движения v ≤ 2 мм/с, кроме того, наблюдается опережение движения ин­дуктора фронтом распространения тепловой волны и нарастание температуры на поверхности.

Даже при узком индукторе (ь_и - 15÷20 мм) и зазоре h = 3 мм при скорости v = 2 мм/с, как следует из формулы (1), эквивалентное время нагрева может достичь около 15 с. Закалка с малыми скоростями движения нежелательна из-за значитель­ного прогрева сердцевины. Наиболее часто закалку при непре­рывно-последовательном нагреве проводят со скоростью движе­ния 5-10 мм/с, хотя известны высокопроизводительные закалоч­ные станки (например, станки для закалки пальцев траков), в которых скорость движения детали в индукторе достигает 50 мм/с. Работа при высоких скоростях с широкими индукторами затруд­няет выполнение технических условий в зоне начала и в зоне конца закалки. Ширина индуктора ь_и должна связываться с глу­биной слоя х_к, подлежащего закалке и отчасти с величиной за­зора. Однако зазор обычно выбирается равным 3-4 мм. Работы с меньшим зазором обычно избегают из-за возникающих затруд­нений с установкой детали, ограничений по биению при враще­нии, новодки детали в процессе закалки.

Простейшим примером закалки с непрерывно-последователь­ным нагревом могут служить закалка участка длинной цилин­дрической детали, начиная от торца, с выходом на торец зака­ленного слоя и неограниченном сходе с детали. Процесс начи­нается включением рабочего хода индуктора и вращения детали. В определенной позиции индуктора относительно торца детали включается нагрев. Режим нагрева быстро устанавливается, переходные процессы при этом не существенны. Когда индуктор с нагревом и охлаждением достигнет границы зоны, подлежащей закалке, второй путевой выключатель выключает нагрев, третий путевой выключатель останавливает движение, после чего реле времени с необходимой выдержкой выключает воду и включает ускоренное обратное движение индуктора в исходную позицию.

Закаленная деталь снимается и заменяется следующей. По­добный процесс называют иногда закалкой «с находом». При за­калке необходимо соблюдать постоянство отбираемой от гене­ратора мощности (или напряжения генератора), постоянство скорости движения и постоянство напора воды, подаваемой в спрейер. Выполнение технических условий на границе закаленной зоны гарантируется точностью установки путевых выключателей и торца детали в станке. Желательно, чтобы торец, во избежание сколов закаленного слоя, имел небольшую фаску и был без близ­ко расположенных к закаленной поверхности выточек или отверстий.

Включение нагрева на ходу, дает медленное возрастание глу­бины закаленного слоя по длине детали, размытую границу зака­ленного слоя, неточное ее расположение. В этом случае приме­няется закалка с выдержкой движения, когда нагрев включается при неподвижном индукторе, а затем по достижении поверх­ностью детали необходимой температуры несколько ниже зака­лочной по сигналу реле времени включается движение, путевой выключатель включает подачу закалочной жидкости и далее про­цесс идет по вышеописанному при закалке находом.

Таким образом, индукционная закалка с выдержкой движения заключает как бы две стадии: 1) одновременный нагрев и 2) непрерывно-последовательный. При этом равномерность структуры, глубины закаленного слоя, а также нарастание глубины обеспечиваются только подбором выдержек времени на начало движения после включения нагрева. При этом нужно иметь в виду инерцию ме­ханической системы, ее смазку, износ, люфты и т. Д., которые могут существенно влиять на начальную картину нагрева при не­изменной установке реле времени выдержки движения. Чем уже индуктирующий провод, тем легче добиться удовлетворительного нагрева в начале процесса. Если выдержка движения выбрана неудачно и поверхность детали под неподвижным индуктором перегрета, то при движении температура нагрева устанавли­вается не сразу, будет иметь место некоторый переходный про­цесс. При недогреве неподвижным индуктором температура остальной части будет также постепенно повышаться до установ­ленного оптимального предела.

Еще более сложно обстоит дело, когда закалку нужно начи­нать близко от галтели, высокой реборды и т. П., ограничиваю­щих исходное положение индуктора, искажающих магнитное поле индуктора, мешающих подаче закалочной жидкости, отражаю­щих струи жидкости под индуктор.

Очевидно, что закалка с движением к галтели не может ис­пользоваться, если граница закаленной зоны должна подходить ближе чем на 3-4 ширины индуктирующего провода. Если поло­жение детали для нагрева безразлично, то для равномерности охлаждения закалка с движением по вертикали предпочтитель­нее. Закалка деталей в горизонтальном или наклонном положе­нии связана со значительным подливом отраженных струй и брызг от спрейера под индуктор в нижних частях зоны нагрева. Подливы вызывают местные понижения температуры, мягкие пятна на закаленной поверхности. Во избежание этого закалоч­ный индуктор, кроме спрейера для закалочной жидкости, снаб­жается еще спрейером для подачи струй сжатого воздуха в за­зор между индуктором и деталью. Деталь с цилиндрической за­каливаемой поверхностью вращается для выравнивания границы зоны нагрева и зоны охлаждения. Воздушное дутье не должно быть сильным, чтобы не изменять угол падения струй охладителя на поверхность детали.

В простейших случаях поверхностной закалки целесообразно применение закалочного индуктора с индуктирующим проводом из одной профилированной медной трубки, по одной из торцовых поверхностей которой сверлится под углом к оси индуктора ряд отверстий ø 1,5-2 мм, так что индуктирующий провод является одновременно и спрейером, а закалочная жидкость одновременно уносит потери от прохождения индуктирующего тока. Индукторы для закалки с выдержкой движения должны иметь постоянное водяное охлаждение индуктирующего провода, чтобы индуктор не сгорел во время задержки подачи закалочной жидкости. При закалке с движением от галтели или реборды последние отра­жают вначале струи под индуктор. Во избежание этого необхо­димо дополнить спрейерное устройство отдельной камерой, из ко­торой струи направлены как скрещивающиеся с осью детали, скользящие без отражений и брызг по торцовой поверхности де­тали. Когда при дальнейшем движении индуктора струи допол­нительного спрейера попадают па цилиндрическую часть, недо­статочно ее охлаждая, закалочная жидкость подается из обыч­ного спрейера.

При закалке с большой скоростью перемещения или на боль­шую глубину одно- или двухрядные спрейеры не обеспечивают устойчивого охлаждения по всей зоне, так как жидкость скаты­вается с раскаленной детали, отжимается от поверхности паро­вой рубашкой. Струи третьего и следующего рядов для интен­сивности охлаждения направляются нормально к поверхности и брызги от них уже не достигают зоны нагрева. Для уменьшения расхода закалочной жидкости за цикл закалки детали спрейера иногда окружают специальными насадками, задерживающими жидкость на поверхности детали.

При закалке в горизонтальном положении круглых деталей большого диаметра (крупные валы для холодной прокатки, бара­баны, обечайки, пиноли) разность гидравлического давления в верхних и нижних частях камеры спрейера вызывает неравномер­ность охлаждения. Спрейер приходится разделять на несколько камер с отдельной регулировкой подачи жидкости в каждую.

Таким образом, закалка с непрерывно-последовательным на­гревом сложнее закалки с одновременным нагревом, требует бо­лее сложных индукторов и соответствующего станочного обору­дования для движения детали в индукторе в процессе закалки, ускоренного возврата в исходное положение и так далее. Ста­ночное оборудование может быть как универсальным, быстро переналаживаемым для закалки любой детали определенной группы, так и специальным для закалки деталей только одного наименования.

Рассмотрение термообработки цилиндрических деталей было ограничено закалкой в кольцевом индукторе с движением вдоль оси. Закалка больших цилиндрических поверхностей индуктором, расположенным вдоль образующей цилиндра отдельными смы­кающимися поясами зон закалки или по винтовой линии, не ре­комендуется, так как в зонах смыкания, нахлеста закаленных слоев могут образоваться микротрещины, зоны низкой твердости.

Шлицевые участки, зубчатые поверхности, резкие переходы с диаметра на диаметр делают невозможным закалку единой трубкой, без местного перегрева, пропусков зоны закалки. Пере­вод подобных деталей на поверхностную закалку индукционным способом должен предварительно согласовываться с разработкой подробных технических условий на закалку.

Комбинированные процессы закалки

Выше были рассмотрены процессы поверхностной закалки индукционным способом с помощью одного какого-либо закалочного индуктора. За последние годы получила распростра­нение закалка полуосей с фланцами для автомобильных мостов с непрерывным выходом закаленного слоя со стебля полуоси на галтель и поверхность фланца, с выходом границы закаленного слоя в область пониженных напряжений на фланце [8]. Изве­стен также способ закалки поверхности колец больших диамет­ров (крупногабаритных подшипников) парными индукторами без стыков закаленных зон подобно поверхности бублика. Эти спо­собы закалки назовем комбинированными, поскольку закалка производится не одним, а двумя или более индукторами, питае­мыми каждый от отдельного понизительного закалочного транс­форматора с отдельной программой управления движением, зака­лочными спрейерами и нагревом. Использование комбинирован­ного индуктора, составленного из нескольких активных проводов автономного питания, соответствующей геометрии и размеров, является зачастую более эффективным средством выравнивания нагрева на поверхности сложной формы, чем корректировка за­зора, ширины и расположения активного провода, установка до­полнительных магнитопроводов и магнитных шунтов в конструк­ции с одним индуктирующим проводом. Затем, полученная зона равномерного нагрева может быть подхвачена следующим индук­тором для непрерывно-последовательного нагрева и т. д.

 На рис. 13 показана схема устройства для индукционной закалки кольца крупногабаритного подшипника при непрерывно-последовательном нагреве двумя индукторами, движущимися по окружности кольца. Два одинаковых разъемных индуктора 2, подключенных каждый к отдельному понизительному закалочному трансформа­тору (на рисунке не показаны), в исходной позиции перед закал­кой сведены вместе с незначительным безопасным зазором между собой. Предварительной проверкой (при монтаже трансформато­ров) соответствия полярности подключения первичных обмоток трансформаторов обеспечивается согласное направление полей индукторов. Благодаря этому при включении оба индуктора на­гревают поверхность кольца как один. При достижении доста­точной температуры на поверхности кольца под неподвижными индукторами включается движение индукторов с заданной по­стоянной скоростью в стороны друг от друга. По мере расхожде­ния индукторов ширина нагретой зоны увеличивается, в образо­вавшийся зазор между ними автоматическим устройством вдви­гаются части перегородки 3. Как только перегородка 3 встала на свое место и индукторы разошлись на достаточное расстояние, в спрейеры обоих индукторов подается закалочная жидкость. Ее струи ударяются о нагретую поверхность кольца, отражаются от перегородки 3, препятствующей взаимному проникновению струй охладителя от одного индуктора в зону нагрева под другим, и сливаются вниз. Далее каждым из закалочных индукторов неза­висимо продолжается процесс закалки с непрерывно-последовательным нагревом своего полукольца до сближения на участке диаметрально противоположном исходной позиции. Сблизившись, индукторы опять нагревают как один; за доли секунды после остановки (сведения вплотную до упоров) индукторов поверх­ность кольца посередине под ними доходит до закалочной темпе­ратуры и нагрев выключается. По мере прохождения индукторов через устройство дополнительных спрейеров 4 последние авто­матически разворачиваются вслед за ними и подают закалочную жидкость в зону под индукторами. Таким образом, кольцо ока­зывается закаленным по всей поверхности без стыков, нахлестов, микротрещин, мягких пятен и тому подобных дефектов. Магнитное поле сближающихся индукторов начинает смыкаться до их окончательного схождения, при этом движение фронта нагрева как бы ускоряется, опережая индуктор. Для выравнивания глу­бины закаленного слоя и структуры на некотором расстоянии перед смыканием индукторов в конце нагрева необходимо сни­зить мощность, потребляемую от генератора, на 20-25%. Иногда приходится прибегать к этому и в начале закалки. Равномерность закалки такова, что металловедческое исследование обычно не может установить расположение зон начала и конца закалки кольца. Кольцо крупногабаритного подшипника, представляющее собой два связанных кривых бруса, является легко деформируе­мой конструкцией. Величина овала после закалки в партии около 20 колец не превосходила 1 мм. На такую же величину возра­стал средний диаметр кольца. Деформация при закалке имела прямую связь с исходной. Можно применить закалку двумя - тремя парами индукторов, и тогда закаленное кольцо будет иметь вид криволинейного многоугольника. Это позволит суще­ственно уменьшить припуск на окончательное шлифование.

  Диапазон применяемых частот

В первые годы развития поверхностной индук­ционной закалки использовался диапазон частот от 500 или 1000 гц (для закалки крупных валов холодной прокатки) до коротковолнового радиодиапазона для закалки швейных игл. Производство закалочных установок с ламповыми генераторами имело мощную базу в радиопромышленности. Выпуск закалоч­ных установок среднечастотного диапазона базировался на про­изводстве основного оборудования для индукционных бессердечниковых плавильных печей на частоту 2 кгц, а также 1 и 0,5 кгц. Использовались также отдельные установки с машинными пре­образователями на частоты 5, 15, 18 кгц и др.

В. П. Вологдиным и его сотрудниками были разработаны теоретические основы выбора частоты источников питания зака­лочных установок [1]. На основе выводов разработанной теории определилась шкала частот. Появились также тиристорные пре­образователи (пока опытные образцы), используемые для поверх­ностной закалки на частотах 0,8-1,3 и 2,5 кгц. Подготавливается выпуск тиристорных преобразователей на частоту 8 кгц. В диа­пазоне радиочастот выпускаются серийно ламповые генераторы на частоту 70 и 440 кгц.

Следует отметить, что за рубежом появились, наряду с тиристорными преобразователями на частоту 10 и даже 25 кгц, машинные преобразователи на частоту 25 или 30 кгц, мощ­ностью 150 квт (япония), особенно рекомендуемые для поверх­ностной закалки.

При характеристике используемого диапазона частоты нужно иметь в виду наличие, кроме основного оборудования, еще се­рийно изготовляемых приборов для измерения токов и напря­жений, а также мощности. Возможность точного измерения ве­личин, хотя бы и косвенно связанных с нагревом, отличает со­временную закалочную установку в отношении точности и повто­ряемости обработки от кузнечного горна. В этом отношении

Диапазон средних частот имеет существенные преимущества, тогда как установки ТВЧ с ламповыми генераторами не имеют изме­рительных приборов на рабочей частоте.

В диапазоне средних частот (ниже 10 кгц) нет ограничений по уровню помех радиоприему, не требуется экранирование уста­новки. С другой стороны, установки с ламповыми генераторами бесшумны, а при работе с особо мощными установками частотой 1-4 кгц приходится считаться с уровнем шумовых помех, с их соответствием действующим нормам.

Установки с тиристорными преобразователями требуют ква­лифицированного инженерного обслуживания как текущего, так и при переналадках, комплектации запасными полупроводнико­выми приборами. Установки с машинными преобразователями об­служиваются электромонтерами 4-5 разрядов, почти не тре­буют ухода.

В то же время снижение частоты приводит к увеличению тока в индукторе, росту габаритных размеров и массы магнитопроводов трансформаторов, индукторов конденсаторных батарей в ущерб удобству и подвижности.

Тиристорные преобразователи имеют наивысший эксплуата­ционный к. П. Д., мало зависящий от пауз и нагрузки (k_э ≈ 95%). Машинные преобразователи в зависимости от частоты и мощно­сти имеют несколько меньший, но вполне приемлемый номиналь­ный к. П. Д. (до 85%). Для станции из нескольких преобразова­телен, эксплуатируемых с применением диспетчеризации для со­кращения холостых пробегов машин, эксплуатационный к. П. Д. Мало отличается от номинального. Ограничения с прямым пуском единичных преобразователей (пуск только в перерывы между сменами за отсутствием шкафов для автотрансформаторного пу­ска) часто недопустимо увеличивают холостые пробеги машин­ных преобразователей. Конструкции машинных преобразователей, созданных для работы с плавильными печами, т. Е. Практически при полной загрузке по мощности и времени, не являются опти­мальными для работы с закалочными установками.

Ламповые генераторы при удовлетворительном согласовании с нагрузкой имеют достаточно высокий к. П. Д. Преобразования (более 70% по аноду), также мало зависящий от пауз в работе и загрузки по мощности, однако согласование не оптимально по всему диапазону, особенно для деталей малого диаметра.

Надежность тиристорных преобразователей, определяемая надежностью полупроводниковых приборов выпрямителя, преоб­разователя, системы защиты (достаточно сложной) снижается по мере увеличения числа полупроводниковых элементов. Поэтому на каком-то пороге мощности тиристорный преобразователь дол­жен неизбежно уступить в надежности машинному. Маломощные тиристорные преобразователи невыгодны из-за необходимости иметь сложную схему защиты. Машинные преобразователи, изго­товляемые по традиционной технологии серийного электромаши­ностроения из недефицитных распространенных материалов, должны быть самыми дешевыми.

Перейдем к выбору частоты, т. Е. К определению наибольшей пригодности того или иного оборудования. Выше указывалось, что частота тока для нагрева должна соответствовать требуемой глубине закаленного слоя, чтобы соотношение глубины горячего

Проникновения ∆_г тока данной частоты в сталь и требуемой глу­бины закалки х_к находились в пределах

T ≤ ∆ _г/х_к ≤ (3,5 ÷ 4).

После подстановки выражения ∆_г получаем неравенство для по­лосы применяемых частот по заданной глубине закаленного слоя х_к в мм

20/х_к² ≤ f ≤ 250/х_к².

При этом пограничная частота (кГц)

F_min = (20 ÷ 15)/х_к²                                              (3)

Считается как минимальная допустимая в отношении устойчиво­сти работы индукторов, а вторая пограничная частота

F_max = 250/х_к²                                                       (4)

Принимается как максимально допустимая. Использование частот f > 250/х_к² связано с низким термическим к. П. Д. Нагрева детали, т. Е. С относительно большой затратой теплоты на нагрев массы металла за пределами закаленного слоя. Расчеты показывают, что значение термического к. П. Д. При минимальной частоте мо­жет превышать его значение, относящееся к максимально допу­стимой, в 1,5-2 раза, т. Е. Нагрев при минимальной частоте по­требует в 1,5-2 раза меньших затрат энергии. При этом терми­ческий к. П. Д. Непрерывно растет с понижением частоты, особен­но в пределах от f_max до некоторой рекомендуемой

F_opt = 60/х_к² .                                               (5)

Для распространенных частот согласно неравенствам (3) - (5) глу­бина закаленного слоя должна находиться в следующих пре­делах:

На рис. 10 нанесены геометрические места, отвечающие урав­нениям (3) - (5), которые выражают условия подобия темпера­турных полей и представляются прямыми, параллельными зави­симости удельной мощности от глубины закалки для бесконечно большой частоты f = ∞.

Важная практически область режимов поверхностной закал­ки, ограниченная на рис. 10 сверху прямой t_н = 2 с и прямой р_д = 1,5 квт/см², справа - прямой х_н = 5 мм, снизу - прямой t_н = 10 с, будет теперь еще ограничена штриховыми прямыми f_max, а также f_min, т. Е замкнутым многоугольником abcde, а предпочтительнее - многоугольником a'bcde' с двойной штрих-пунктирной прямой для f_opt .

Заметим, что кривые зависимости удельной мощности от глу­бины закаленного слоя для частот 4  и 2,5 кгц проходят посере­дине выделенной зоны как наиболее подходящие, а для закалки на глубины от 2 до 3 мм весьма удобна частота 8 и 10 кгц.

На практике наибольшее значение имеет закалка деталей ограниченных размеров, напри­мер цилиндров диаметром от 15-20 миллиметров и более.

Рис. 14. Зависимость КПД индуктора от отношения диаметра детали к величине горячей глубины проникновения при нагреве сплошного стального цилиндра в кольцевом индукторе. 

 Если по соображениям прочности или по другим при­чинам задана глубина закалки для цилиндрической детали, со­ставляющая 15-20% от диа­метра, то по формулам (3) -(5) (без учета диаметра нагреваемой поверхности) может быть вы­брана частота, неприемлемая в отношении электрического к. П. Д. Индуктора. Последний зависит (рис. 14) от отношения диаметра нагреваемой стальной детали d_д к глубине проникновения в горя­чую сталь ∆_г или от произведения частоты тока f на d_д² детали [5].

Представленная на рис. 14 зависимость для различных соот­ношений диаметров детали d_д и индуктора d_и в горячем режиме показывает, что при d_д²  f ≥ 25∙10³, где  f в кгц, а d_д в мм, величина к. П.д индуктора заметно не растет. Снижение частоты ниже пределов, при которых d_д² f < 3∙10³, уже недопустимо, так как к. П. Д. Индуктора даже с малым зазором упадет ниже 70%. Таким образом, при выборе частоты для закалки наружной по­верхности цилиндров, кроме вычислений по формулам (3) - (5), необходимо производить корректировку на соотношение частоты диаметру детали по неравенству

3∙10³/d_д² ≤ f ≤ 25∙10³/d_д².                         (6)

Как видно из рис. 14, зависимость электрического к. П. Д. Ин­дуктора по мере уменьшения параметра d_д²f  ниже (5 ... 10) 10³

 Рис. 15. Распределение закаленного слоя по поперечному макрошлифу в зубцовой зоне шестерни среднего модуля, закаленной в кольцевом (цилиндрическом) индукторе при нагреве токами: а) - радиочастоты; б) - 2 кГц.

По неравенству (6) для рассматриваемых частот определены минимальные диаметры закаливаемых деталей:

Частота, кгц ...........................1,0   2,5  4,0  8,0  10,0  25  70  440

Наименьший рекомендуемый

Диа­метр детали, мм..................160 100  80   60    54    30  20    8

Наименьший (допустимый как ис­ключение)

Диаметр детали, мм................. 55   35   27   20    18    11  -   -

При нагреве цилиндрических деталей в петлевом индукторе, у которого индуктирующие провода направлены вдоль образую­щих, значения электрического к. П. Д. Для наименьших допусти­мых диаметров будут несколько выше.

В практике приходится закаливать детали более сложной геометрии, чем цилиндры. Это могут быть шестерни, валы с мо­дульными шлицами, кулачки распределительных валов, валы топ­ливных насосов, пазовые валы, т.е. Тела «сложной формы».

Носик кулачка распределительного вала при радиочастотном нагреве значительно опережал пятку и боковые части в нагреве, а при низкой частоте оставался незакаленным.

  Рис.16. Система цилиндров эквивалентная шестерне.

Исчерпывающее объяснение указанных особенностей индук­ционного нагрева тел сложной формы было дано в. П. Вологди­ным [1], представившим тело сложной формы, например шестер­ню, в первом приближении в виде отдельных цилиндров (рис. 16): центрального с диаметром окруж­ности впадин d и периферийных, вписанных в ножку и среднюю часть зуба, с эквивалентным диа­метром d_п, выражающимся через модуль шестерни т как

Т = 2 d_п/π.             (7)

При нагреве данной системы цилиндров в общем кольцевом индукторе с током достаточно вы­сокой частоты, чтобы удельная мощность нагрева была одинако­вой как для большого, так и ма­лых цилиндров, вследствие ограниченного теплоотсоса внутрь для малых цилиндров, последние достигают закалочной температуры на поверхности раньше, чем большой. При значительном пониже­нии частоты электрический к. П. Д. Системы индуктирующий про­вод - малые цилиндры может упасть настолько низко, что малые цилиндры будут уже отставать в нагреве от большого, в лучшем случае дойдут до температуры точки кюри и не могут быть нагреты до закалочной. Очевидно, что существует некоторая про­межуточная частота тока - оптимальная, при которой поверх­ности малых и больших цилиндров могут быть одновременно доведены до закалочной температуры. При достаточно быстром нагреве глубина закаленного слоя окажется равномерной.

Применительно к закалке шестерни с модулем т в кольце­вом индукторе оптимальная частота f_opt по г. А. Разоренову будет

F_opt ≈ 600/m² кгц.                             (8)

Время нагрева (с)

T_н ≈ 0,05m²,                                (9)

а глубина закаленного слоя

Х_к ≈ 0,2m мм.                             (10)

Формулы (8) - (10) дают лишь ориентирующие результаты, уточняемые практикой. Для других тел сложной формы зависи­мости для f_opt, t_н и х_k те же, только нужно по выражению (7) подставить в них значения диаметра минимального эквивалент­ного цилиндра d_э вместо модуля зубчатого зацепления т.

 Рис. 17. Определение времени нагрева t'_н с учетом диаметра d_д или толщины н_д закаливаемой детали.

При определении частоты и других параметров режима на­грева температура нагрева поверхности принималась равной 900 °с. Графики рис. 8 показывают, что особенность распреде­ления температуры по глубине слоя, нагретого до закалочной температуры и выше, обуславливают значительную зависимость глубины закалки ТВЧ от конечной температуры нагрева поверхности. Увеличение температуры нагрева поверхности на 50 °с выше при­нятой формально (в отношении глубины закалки) эквивалентно снижению частоты, например с 10 до 4 кгц, т. Е. Приблизительно в 2,5 раза. Однако этот эффект неизбежно связан с ухудшением качества закаленного слоя. Снижение температуры нагрева как бы позволяет, например при использовании частоты 10 кгц, по­лучать малые глубины закалки, характерные для радиочастот­ного нагрева. Однако при этом результаты закалки будут не­устойчивы, качество закаленного слоя снижено. Поэтому для обеспечения высокого качества закалки используется весь диапа­зон частот соответственно требуемой глубине закаленного слоя и рекомендуемой температуре нагрева.

В зависимости от диаметра закаливаемой детали необходимо не только корректировать частоту тока, но также и время нагрева. На рис. 10 приведены зависимости времени нагрева от глубины закаленного слоя и частоты, рассчитанные для стальной стенки бесконечных размеров. На рис. 17 дано вспомогательное построе­ние, позволяющее учесть влияние диаметра d_д сплошных ци­линдров на время нагрева под закалку. По этому же построению определяется время нагрева стальных плит в зависимости от их толщины.

В левом нижнем углу перпендикулярно к шкале времени на­грева для бесконечной стенки двойной линией проведена шкала времени нагрева t'_н для деталей конечных размеров, а также ряд расходящихся прямых, помеченных н_д и d_д по размерам детали, которым они соответствуют.

Из точки отсчета времени нагрева на шкале для стенки бес­конечных размеров восстанавливаем перпендикуляр до пересече­ния с прямой, обозначенной индексом соответственно диаметру или толщине стенки детали. Перпендикуляр, восстановленный из найденной точки пересечения на шкалу скорректированного вре­мени нагрева t'_н, дает искомый отсчет.

Источник: "Поверхностная закалка индукционным способом"  Демичев А.Д.

Назад