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 закалкиПри 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 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. 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 | 1,0 | 0,05
| Наименьшая | 1,3 | 2,4 | 3,6 | 17 | Наибольшая рекомендуемая
| 5,5 | 10,0 | 16,0 | 70 | Оптимальная | 2,7 | 5,0 | 8,0
| 34 |
На основании этих условий в табл. 21 приведены значения наиболее выгодной глубины закаленного слоя и возможных пределов ее изменения для различных частот. 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 Рис. 26. Зависимость времени нагрева под закалку tK (-) и удельной мощности р0, сообщаемой детали (- -), от диаметра нагреваемого цилиндра при частоте 8000 Гц 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 генератораТехническими 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) 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 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). 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 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): К. п. д. индуктора 75%. Скорость движения индуктора равна Время движения индуктора с нагревом Можно подсчитать и производительность закалки, если учесть время на перестановку детали. 3. Индукторы для закалкиИндуктор 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). 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 магнитопроводомРис. 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 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 для частоты 8000 Гц 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). Напряжение на индукторе U1 = 2πR1U10 = 2π·7,2·1,7 = 77 В. Ток в индукторе: Iи = Iио = 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 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. 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 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
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 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. |