Поверхностная закалка ТВЧ

Какой бывает закалка металла

О том, что воздействие высокой температуры на металл может изменить его структуру и свойства, знали еще древние кузнецы и активно использовали это на практике. В дальнейшем уже научно было установлено, что закалка изделий, изготовленных из стали, предполагающая нагрев и последующее охлаждение металла, позволяет значительно улучшать механические характеристики готовых изделий, значительно увеличивать срок их службы и даже в итоге уменьшать их вес за счет увеличения прочности детали. Что примечательно, закалка деталей из недорогих сортов стали позволяет придать им требуемые характеристики и успешно использовать вместо более дорогостоящих сплавов.

Смысл процесса, который называется закалка изделий из стальных сплавов, заключается в нагреве металла до критической температуры и его последующем охлаждении. Основная цель, которая преследуется такой технологией термообработки, заключается в повышении твердости и прочности металла с одновременным уменьшением его пластичности.

Существуют различные виды закалки и последующего отпуска, отличающиеся режимами проведения, которые и определяют конечный результат. К режимам закалки относятся температура нагрева, время и скорость его выполнения, время выдержки детали в нагретом до заданной температуры состоянии, скорость, с которой осуществляется охлаждение.

Читайте также:  Электропоезда постоянного тока | Индуктивные шунты

Наиболее важным параметром при закалке металлов является температура нагрева, при достижении которой происходит перестройка атомной решетки. Естественно, что для сталей разных сортов значение критической температуры отличается, что зависит, в первую очередь, от уровня содержания в их составе углерода и различных примесей.

После выполнения закалки повышается как твердость, так и хрупкость стали, а на ее поверхности, потерявшей значительное количество углерода, появляется слой окалины. Толщину этого слоя обязательно следует учитывать для расчета припуска на дальнейшую обработку детали.

diagramma-sostoyanij-fe-c.jpg Диаграмма состояний железо-углерод

При выполнении закалки изделий из стальных сплавов, очень важно обеспечить заданную скорость охлаждения детали, в противном случае, уже перестроенная атомная структура металла может перейти в промежуточное состояние. Между тем, слишком быстрое охлаждение тоже нежелательно, так как оно может привести к появлению на детали трещин или к ее деформации. Для того, чтобы избежать образования таких дефектов, скорость охлаждения после падения температуры нагретого металла до 200 градусов Цельсия, несколько замедляют.

Для нагрева деталей, изготовленных из углеродистых сталей, используют камерные печи, которые могут прогреваться до 800 градусов Цельсия. Для закалки отдельных марок стали критическая температура может составлять 1250–1300 градусов Цельсия, поэтому детали из них нагреваются в печах другого типа. Удобство закалки сталей таких марок заключается в том, что изделия из них не подвержены растрескиванию при охлаждении, что исключает необходимость в их предварительном прогреве.

Очень ответственно следует подходить к закалке деталей сложной конфигурации, имеющих тонкие грани и резкие переходы. Чтобы исключить растрескивание и коробление таких деталей в процессе нагрева, его следует проводить в два этапа. На первом этапе такую деталь предварительно прогревают до 500 градусов Цельсия и лишь затем доводят температуру до критического значения.

tvch1.jpg Нагрев стали при закалке токами высокой частоты

Основные понятия закалки ТВЧ

Закалка – процесс перекристаллизации металла, основанный на нагреве до температуры выше критической, выдержке и последующем быстром охлаждении, как правило, в жидкости (воде или масле).

Цель закалки – повышение твердости и улучшение износостойкости.

По глубине воздействия закалка подразделяется на объемную (полную) и поверхностную. Объемная закалка применяется, когда необходимо изменить структуру не только поверхностных слоев, но и всего металла.

Способы закалки:

  1. Закалка в одном охладителе. Деталь, нагретую до температуры закаливания, опускают в закалочную жидкость до полного остывания.
  2. Закалка в двух средах (прерывистая). Деталь, нагретую до температуры закаливания, сначала опускают в быстро охлаждающую среду (воду), а затем в медленно охлаждающую – например, масло.
  3. Струйчатая закалка. Разогретую деталь остужают водной струей. Деталь прокаливается лучше, так как не формируется паровая рубашка. Возможна частичная закалка изделия.
  4. Ступенчатая закалка. Разогретая деталь остужается в медленно охлаждающей среде. За время выдержки происходит выравнивание температурного уровня. Затем происходит финальное охлаждение. Этот способ позволяет уменьшить напряжения внутри изделия.
  5. Изотермическая закалка. Изделие нагревают до нужного температурного уровня и охлаждают до момента окончания изотермического превращения аустенита.
  6. Лазерная закалка. Деталь локально нагревают за счет воздействия лазерного излучения, охлаждение происходит за счет отвода теплоты во внутренние слои металла.
  7. Закалка ТВЧ. Нагрев детали происходит в индукторе за счет токов высокой частоты. Затем изделие охлаждают в охлаждающей среде или путем разбрызгивания охлаждающей жидкости.

Дефекты при закалке:

Поверхностная закалка ТВЧ (токами высокой частоты) – это высокотемпературная обработка металлических изделий, изменяющая структуру материала, для придания более высокой прочности, и, как следствие, увеличивающая срок эксплуатации.

Электрическая энергия через специальный генератор передается к индуктору и преобразуется в мощное электромагнитное поле. В металлическую заготовку, помещенную в переменное магнитное поле, проникают вихревые токи поля, которые трансформируются в тепловую энергию, осуществляющую нагрев. Чем ниже частоты используемых токов, тем толще закаленный слой.

Этапы закалки ТВЧ:

Достоинства закалки ТВЧ:

  • по сравнению с другими видами термообработки поверхность получается более прочной и менее хрупкой, так как сохраняется вязкая и пластичная сердцевина;
  • нагрев проводится до более высокой температуры, но перегрева не происходит (так как время высокочастотного нагрева очень короткое), что формирует более высокую твердость изделия;
  • под воздействием ТВЧ тепло распределяется равномерно и структура приобретает одинаковую плотность;
  • допустимо проводить закалку отдельных участков изделия;
  • незначительны потери энергии (бесконтактный нагрев ТВЧ создает тепло внутри изделия);
  • возможность автоматизации и крупносерийного производства;
  • снижены энергозатраты на нагрев всей детали.

Газопламенная закалка

Метод применяют при обработке крупных металлоконструкций: деталей станков, узлов электрических машин, прокатных роликов, валов, выполненных из чугуна, углеродистых, низколегированных сталей, материалов с низким содержанием углерода. Преимущества технологии — сохранение чистоты поверхности (на ней отсутствуют следы окислительных процессов) и сравнительно небольшая деформация с сохранением начальной геометрии заготовки.

gazoplamennaya-zakalka.jpg
Газопламенной закалкой могут обрабатываться все углеродистые стали.

Технология

Газоплазменная закалка выполняется в ацетилено-кислородном пламени. Во время нагрева специальной горелкой температура поверхности растет с высокой скоростью. За счет этого сердцевина детали не меняет своих свойств. Толщину поверхностной обработки регулируют изменением скорости перемещения факела и интенсивности подачи газовой смеси. Охлаждение металла производится погружением в быстроохлаждающую жидкость или обработкой под душем.

Параметры процесса

Технология предусматривает использование ацетилено-кислородного пламени температурой +2400…+3100 °С. Глубина закалки чаще всего составляет 2‑4 мм. Твердость сформированного после термической обработки слоя составляет 56 HRC.

Его структура — мартенсит. В зоне неполного нагрева начальная структура сплава преобразуется в мартенситно-троститную.

Закалка токами высокой частоты (ТВЧ)

Технология широко распространена в промышленности из-за высокой производительности, возможности сохранения исходных геометрических параметров заготовки без объемных изменений металла. Нагревают его индукционно со скоростью 100‑1000 °С/с за счет возникновения в поверхностных слоях вихревых токов. Толщина обрабатываемого металла будет меньше при увеличении частоты (при этом его плотность растет).

zakalka-tokami-vysokoj-chastoty.jpg
Закалка токами высокой частоты широко распространена.

Сферы применения

Высокочастотная обработка эффективна при изготовлении деталей электрических машин, эксплуатация которых связана с интенсивным износом, частыми знакопеременными или динамическими нагрузками. Закалка ТВЧ поверхностей валов, режущих инструментов, зубчатых колес, выполненных из легированной или углеродистой стали, — оптимальное решение. Технология подходит также для конструкционных сплавов с 0,4‑0,55-процентным содержанием углерода.

Основные этапы

Работа оборудования может быть автоматизирована, когда все фазы выполняются в одной установке. В этом случае не потребуется организация отдельного цеха, транспортировка туда стальных заготовок, привлечение дополнительного обслуживающего персонала.

Независимо от особенностей организации производства выполняются такие этапы термообработки:

  1. Поверхностная закалка индуцированным током высокой частоты с выдержкой времени.
  2. Равномерное охлаждение под душем или в ванне путем погружения в подогретую до +30…+40 °С жидкость.
  3. Низкотемпературный отпуск в печи при +200 °С. Избежать образования микротрещин и добиться нормализации поверхностных слоев помогает высокая скорость перехода между технологическими этапами.

Соответствие металлоконструкции после проведения термообработки заданным при проектировании параметрам зависит от правильного выбора температурного режима.

Преимущества и недостатки

Предел выносливости стальных конструкций при закалке ТВЧ увеличивается в 2‑2,5 раза. Это происходит за счет высокой скорости термообработки и минимального влияния рабочих растягивающих напряжений, которые возникнут в ходе эксплуатации в поверхностных слоях. Вязкость сердцевины при этом достаточна, чтобы выдерживать ударные контактные нагрузки.

preimushchestva-i-nedostatki1.jpg
При поверхностной закалке повышается предел выносливости стальных конструкций.

Дополнительные аргументы в пользу индукционного нагрева ТВЧ:

  1. Высокая производительность. Технология — лучшее решение для автоматизированного, массового, крупносерийного производства.
  2. Сжатые сроки окупаемости, энергоэффективность оборудования.
  3. Возможность работы на ограниченном поле.
  4. Отсутствие эффекта обезуглероживания. Из-за скорости термообработки удается исключить диффузионные процессы, что позволяет сохранить мелкое аустенитное зерно и мартенсит с мелкопластинчатой структурой.
  5. Минимальная деформация заготовки.

Сложности в применении технологии возникают при обработке деталей сложной геометрии.

Это связано с необходимостью выдержки постоянного зазора между поверхностью и индуктором.

Конструкция современных установок

Закалка ТВЧ предусматривает использование специализированного оборудования, которое содержит высокочастотный генератор, индукторный контур и устройство, обеспечивающее равномерное перемещение заготовки.

На предприятиях применяют такие виды источников питания:

  • полупроводниковые преобразователи (160‑800 кВт, 1‑4 кГц);
  • электрические машины (50‑2500 кВт, 2,5‑10 кГц);
  • электронные ламповые устройства (10‑160 кВт, 70‑400 кГц).

Для работы с деталями малых размеров (наконечниками пружин, иглами) используют микрогенераторные установки. Они нагревают металл за 0,01‑0,001 с при 50 МГц. Исходя из геометрии изделий, выбирают конструкцию индуктора. Для колес, валов, отверстий подходит кольцевой, для поверхностей большой площади — петлевой, для заготовок сложной конфигурации — фасонный контур.

Другие методы поверхностной закалки

Широко используются на предприятиях узкоспециализированные технологии термообработки. Возможно упрочнение ограниченных участков деталей, их изготовление мелкими партиями, выпуск тестовых образцов.

Лазерная

Этот способ применяют при необходимости повышения усталостной прочности и стойкости к износу отдельных поверхностей металлоконструкций в случае, когда использование других методик технологически невозможно или затруднено. Закалка выполняется с помощью газового квантового или оптического (твердотельного) лазера.

lazernaya.jpg
Лазерная закалка повышает стойкость к износу.

Тепловая энергия генерируется из узкого светового пучка высокой концентрации. Скорость нагрева поверхности составляет 3‑7 секунд. Принудительное охлаждение заготовки при этом не нужно, что существенно снижает уровень сложности процесса обработки. Оборудование работает с высокой производительностью, толщина слоя увеличенной прочности составляет 0,3‑1 мм.

В электролите

В основу технологии заложен эффект нагрева катода, который происходит при пропускании постоянного тока 220‑250 В через раствор кальцинированной соды (его концентрация составляет 5‑10%), выступающий в роли электролита. В этой системе роль анода выполняет емкость, предназначенная для погружения в нее детали. Катод — само закаливаемое изделие. При использовании этой методики наружные слои приобретают мартенситную структуру, сердцевина — ферритную и сорбитообразную перлитную.

В процессе диссоциации раствора кальцинированной соды на поверхности металла образуется плотная оболочка из атомов водорода. Ее высокое электрическое сопротивление становится причиной увеличения температуры поверхности. При отключении системы от источника питания начинается охлаждение стальной заготовки без необходимости ее погружения в другую среду.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий