Индукционная поверхностная закалка - режимы, мощность, индукторы, рекомендации

 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 х_к, 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 х_к 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 Т_к - температура, при достижении которой за время t_k произойдут необходимые структурные изме­нения. Для каждой марки стали существует оптимальный интер­вал температур Т_к. 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

5. Скорость нагрева v_н (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.

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

Различают два типа нагрева (рис. 24):

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

2) поверхностный, при котором Δ₂ < х_к. 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

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

Таблица 21. Глубина закалки для различных частот

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

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 t_K и р₀ определяется мощность генератора (в кВт)

где S - площадь, нагреваемая под закалку, см²; р₀ - удельная мощность в кВт/см²; η_и, η_тр, η_k, η_л - к. п. д. индуктора, транс­форматора, конденсаторной батареи и линии передачи.

Для предварительных расчетов можно рекомендовать следу­ющие значения к. п. д.: η_и = 0,75; η_тр = 0,87; η_k = 0,97; η_л = 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

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).

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

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

Вследствие растекания тока под индуктором реальное время нагрева больше расчетного t_K, 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 х_к = 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, t_K = 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):

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).

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) х_к. 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

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

где U₁₀ - напряжение на единицу длины индуктирующего про­вода (с магнитопроводом), В/см; g_c - коэффициент заполнения стали, можно принять g_c - 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

для частоты 8000 Гц

Здесь I_и0 - 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).

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

Ток в индукторе: I_и = I_ио = 4550 А.

Ширина башмака магнитопровода

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

Здесь Р_и - мощность, подводимая к индуктору, кВт; Р_и0 - мощность, для которой приведены графики (Р_и0 = 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.

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