Индукционная закалка — применение, физический процесс, виды и способы закалки

Выбор температуры для закалки

Решение, при какой температуре производить закалку металла обусловлено химическим составом стали.

Закалка бывает двух видов:

• полная;
• неполная.

Руководствуясь диаграммой критических точек можно видеть, что доэвтектоидную сталь при процессе полного закаливания следует нагревать выше точки Ас3 на 30–50 градусов. В результате у стали будет структура однородного аустенита. Впоследствии под действием процесса охлаждения он превратится мартенсит.

Рисунок №1. Критические точки.

Неполное закаливание чаще применяется для инструментальной стали. Цель неполного закаливания — достигнуть температуры, при которой проходит процесс образования избыточных фаз. Нагревание стали происходит в температурном промежутке от Ас1 — Ас2. При этом в структуре мартенсита сохранится какое-то количество феррита, оставшегося после закаливания стали.

Для закаливания заэвтектоидной стали лучше придерживаться температуры на 20–30 градусов больше Ас1 — неполная закалка. Из-за этого при нагревании и охлаждении будет сохраняться цементит, что повышает твердость мартенсита. При закалке не следует нагревать заэвтектоидную сталь свыше положенной температуры. Это может сказаться на твердости.

Эффект самоотпуска после закалки

После завершения нагрева поверхность охлаждается душем или потоком воды непосредственно в индукторе либо в отдельном охлаждающем устройстве. Такое охлаждение позволяет выполнять закалку любой конфигурации. Дозируя охлаждение и изменяя его продолжительность, можно реализовать эффект самоотпуска в стали. Данный эффект заключается в отведении тепла, накопленного при нагреве в сердцевине детали, к поверхности. Говоря другими словами, когда поверхностный слой охладился и претерпел мартенситное превращение, в подповерхностном слое еще сохраняется определенное количество тепловой энергии, температура которой может достигать температуры низкого отпуска. После прекращения охлаждения эта энергия за счет разницы температур будет отводиться на поверхность. Таким образом отпадает необходимость в дополнительных операциях отпуска стали.

Конструкция и изготовление индукторов для закалки ТВЧ

Индуктора изготавливают из медных трубок, через которые в процессе нагрева пропускается вода. Таким образом предотвращается перегрев и перегорание индукторов при работе. Изготавливаются также индукторы, совмещаемые с закалочным устройством — спрейером: на внутренней поверхности таких индукторов имеются отверстия, через которые на нагретую деталь поступает охлаждающая жидкость.

Для равномерного нагревания необходимо изготавливать индуктор таким образом, чтобы расстояние от индуктора до всех точек поверхности изделия было одинаковым. Обычно это расстояние составляет 1,5-3 мм. При закалке изделия простой формы это условие легко выполняется. Для равномерности закалки, деталь необходимо перемещать и (или) вращать в индукторе. Это достигается применением специальных устройств — центров или закалочных столов.

Разработка конструкции индуктора предполагает прежде всего определение его формы. При этом отталкиваются от формы и габаритов закаливаемого изделия и способа закалки. Кроме того, при изготовлении индукторов учитывается характер перемещения детали относительно индуктора. Также учитывается экономичность и производительность нагрева.

Охлаждение деталей может применяется в трех вариантах: водяным душированием, водяным потоком, погружением детали в закалочную среду. Душевое охлаждение может осуществляться как в индукторах-спрейерах, так и в специальных закалочных камерах. Охлаждение потоком позволяет создавать избыточное давление порядка 1 атм, что способствует более равномерному охлаждению детали. Для обеспечения интенсивного и равномерного охлаждения необходимо, чтобы вода перемещалась по охлаждаемой поверхности со скоростью 5-30 м/сек.

Впервые закалку деталей с помощью индукционного нагрева предложил производить В.П. Володин. Было это почти век назад — в 1923 году. А в 1935 г. данный вид термической обработки стали использовать для закалки стали. Популярность закалки сегодня сложно переоценить — ее активно применяют практически во всех отраслях машиностроения, также очень востребованы и установки ТВЧ для закалки.

Для увеличения твердости закаленного слоя и повышения вязкости в центре стальной детали необходимо использовать поверхностную ТВЧ закалку. При этом происходит нагрев верхнего слоя детали до температуры закалки и резкое охлаждение

Важно, что свойства сердцевины детали остаются неизменными. Так как центр детали сохраняет вязкость, сама деталь становится более крепкой

С помощью ТВЧ закалки удается упрочить внутренний слой легированной детали, ее применяют для среднеуглеродистых сталей (0,4-0,45% С).

Установка для индукционного нагрева ТВЧ

Первая установка индукционного нагрева появилась в 19 веке. Тогда ученым удалось, основываясь на законах Джоуля-Ленца и Фарадея-Максвелла, создать первую плавильную печь, которая могла плавить металл под воздействием токов высокой частоты. Позже нагрев ТВЧ получил более активное распространение и его стали изучать, создавая все новые и новые установки, которые могли бы не только плавить металл при помощи токов высокой частоты, но производили бы и другие виды термообработки, например, закалку ТВЧ, пайку, сварку, ковку, деформацию и т.п. И в ХХ веке удалось получить первые образцы разнообразных установок. Современная установка индукционного нагрева — ТВЧ установка — способна осуществлять практически все виды высокотемпературной обработки металла.

Установка индукционного нагрева – виды обработки

Как уже было упомянуто выше, установка индукционного нагрева с легкостью справится со всеми видами высокотемпературной обработки металлических изделий. Основными задачами, с которыми справляется УИН, являются:

• Пайка ТВЧ. Производиться на предприятиях она стала гораздо чаще с появлением индукционного нагрева, потому что позволяет качественно обработать металл, не нарушая целостности его структуры.
• Плавка металла. Установка индукционного нагрева предназначена для работы со всеми видами металлов. Она отлично справится не только с черными, но и с цветными, и даже с драгоценными металлами.
• Закалка ТВЧ. Чаще всего закалка производится в отношении стальных изделий, которые постоянно подвержены механическому воздействию со стороны внешних факторов. Закалка ТВЧ неоспоримо является качественной и равномерной.
• Ковка, пластика, деформация и т.п. Производятся все эти операции в специальной индукционной установке, которая называется кузнечным нагревателем.
• Термообработка поверхности металла. Чаще всего производится в отношении сварных швов труб для разглаживания остаточного напряжения металла после вмешательства сварочного аппарата в его структуру.

Кроме вышеперечисленных операций установка индукционного нагрева хорошо справится и с другими видами термообработки. Если необходимо нагреть металл, произвести обжиг или отжиг или избавиться от каких-то вредных химических веществ, то установка ТВЧ станет незаменимым помощником.

Установка индукционного нагрева – виды

Установки индукционного нагрева подразделяются на три типа по частоте работе

При выборе частоты работы установки важно обратить внимание — для выполнения каких задач предназначена та или иная установка

1. Среднечастотные установки индукционного нагрева – установки, работающие на наиболее низких частотах. Частота работы данного типа индукционных установок колеблется в пределах 0,5 – 20 КГц.
2. Среднечастотные установки применяются в тех случаях, когда требуется произвести глубокую закалку детали; для пайки массивных изделий, которая также требует глубины проникновения тепла в деталь; для плавки всех видов металлов.
3. Высокочастотные установки индукционного нагрева – это установки, работающие на более высокой частоте, чем среднечастотные, но на меньшей, чем сверхвысокочастотные. Частота работы данного типа индукционных установок 20-40 кГц, а в некоторых случаях доходит и до 30-100 кГц. При этом высокочастотная УИН обладает небольшой глубиной проникновения тепла в металл – не более 3 мм. Высокочастотная индукционная установка является наиболее универсальной, потому что позволяет справляться с большинством операций тепловой обработки металлов.
4. Сверхвысокочастотные установки индукционного нагрева – это установки, обладающие самой высокой частотой работы. Частота работы от 100 кГц. Однако глубина проникновения тепла у СВЧ УИН не более 1 миллиметра. Сверхвысокочастотная установка индукционного нагрева чаще всего применяется для осуществления поверхностной закалки ТВЧ, для нагрева небольших заготовок и для пайки тонких и тонкостенных изделий.

Каждая установка индукционного нагрева имеет свою особенность. Если вы не знаете, как подобрать установку индукционного нагрева для своего предприятия, то подготовьте техзадание, исходя из которого, специалисты компании ЭЛСИТ помогут вам подобрать наиболее подходящее оборудование.

Если заметили ошибку, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter

xn--h1afsf5c.xn--p1ai

Как избежать образования окалины и обезуглероживания при закалке

Многие детали из стали проходят закалку уже после того, как была выполнена их финишная обработка. В таких случаях недопустимо, чтобы поверхность деталей была обезуглерожена или на ней образовалась окалина. Существуют способы закалки изделий из стали, которые позволяют избежать таких проблем. Закалка, выполняемая в среде защитного газа, который нагнетается в полость нагревательной печи, может быть отнесена к наиболее передовому из таких способов. Следует иметь в виду, что используют такой метод лишь в том случае, если печь для нагрева полностью герметична.

На фото виден момент гидросбива на стане горячей прокатки — удаление окалины

Более простым способом, позволяющим избежать обезуглероживания поверхности металла при закалке, является применение чугунной стружки и отработанного карбюризатора. Для того чтобы защитить поверхность детали при нагревании, ее помещают в специальную емкость, в которую предварительно засыпаны эти компоненты. Для предотвращения попадания в такую емкость окружающего воздуха, который может вызвать процессы окисления, снаружи ее тщательно обмазывают глиной.

Если после закалки металла его охлаждают не в масле, а в соляной ванне, ее следует регулярно раскислять (не менее двух раз за смену), чтобы избежать обезуглероживания поверхности детали и появления на ней окисла. Для раскисления соляных ванн могут быть использованы борная кислота, бурая соль или древесный уголь. Последний обычно помещают в специальный стакан с крышкой, в стенках которого имеется множество отверстий

Опускать такой стакан в соляную ванну следует очень осторожно, так как в этот момент на ее поверхности вспыхивает пламя, которое затухает через некоторое время

Объемная закалка толстостенных заготовок

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.

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.

Индукционная закалка металлов

05.12.2016 08:42

Страница 1 из 2

Индукционная закалка – это широко используемая технология поверхностного закаливания стали, при которой металлическая заготовка нагревается методом индукционного нагрева, то есть с помощью переменного магнитного поля, до температуры в пределах или выше интервала мартенситного превращения, а затем подвергаются мгновенному охлаждению, в результате чего возрастают твёрдость и хрупкость детали.

При индукционной закалке происходит нагрев заготовок. При этом сердцевина заготовки остаётся незакалённой, а её физические свойства не отклоняются от свойств стального прутка, из которого выточена эта заготовка, в то время как твёрдость её оболочки (т.е. поверхностного слоя) может варьироваться в пределах 37-58 единиц по шкале Роквелла.

Для этой технологии лучше всего подходят углеродистые и легированные стали с эквивалентным содержанием углерода в пределах 0,40-0,45 %.

Индукционная закалка используется для выборочного отверждения участков компонента или узла без изменения его свойств в целом.

Технология индукционной закалки

Индукционный нагрев представляет собой технологию, основанную на использовании принципа электромагнитной индукции для бесконтактного внутреннего нагрева поверхностного слоя заготовки.

Поместив электропроводящий материал в сильном переменном магнитном поле, можно генерировать электрический ток внутри этого материала, что приведёт к его нагреву вследствие активных (омических) потерь в нём.

Что касается дальнейшего нагрева, то в магнитных материалах он продолжается до температуры ниже точки Кюри, что обусловлено потерями на магнитный гистерезис.

В процессе индукционного нагрева генерированный электрический ток течёт преимущественно в поверхностном слое заготовки. При этом глубина этого слоя зависит от частоты переменного магнитного поля, поверхностной плотности мощности, магнитной проницаемости материала, продолжительности нагрева и диаметра прутка или толщины материала.

При быстром охлаждении этого нагретого слоя в воде, масле или закалочной жидкости на основе полимеров поверхностный слой изменяется, приобретая мартенситную структуру, более твёрдую, чем у металла сердцевины заготовки.

В качестве технологической оснастки используется рабочая катушка, по которой пропускается электрический ток от источника переменного тока высокой частоты. При прохождении электрического тока по этой катушке в пространстве внутри неё создаётся очень мощное и быстро меняющееся магнитное поле. Нагреваемая заготовка помещается в этом мощном переменном магнитном поле, после чего внутри неё начинают генерироваться вихревые токи, а электрическое сопротивление металла приводит к её омическому нагреву.

Эта операция чаще всего применяется при индукционной закалке легированных сталей. Перед отгрузкой заказчику многие механические детали, например, валы, шестерни и пружины, подвергаются различным методам поверхностной обработки для улучшения характеристик износа. При этом эффективность применяемых методов обработки зависит как от изменения свойств материала поверхности, так и от возникновения в нём остаточных напряжений.

Технология индукционной закалки является одной из наиболее распространённых среди технологий поверхностной обработки, используемых для увеличения прочности деталей. Благодаря ей, заготовка сохраняет жёсткую сердцевину с остаточными напряжениями растяжения и приобретает твёрдый поверхностный слой с напряжением сжатия, что, как выяснилось, очень эффективно увеличивает усталостную долговечность и износостойкость детали.

Низколегированные среднеуглеродистые стали, подвергнутые индукционной закалке поверхности, широко применяются для изготовления критически важных компонентов автомобилей и механизмов, которые должны обладать высокой износостойкостью. При этом износостойкость закалённых деталей зависит от глубины и силы закалки, а также от распределения остаточного напряжения сжатия в поверхностном слое.

<< Первая < Предыдущая 1 Следующая > Последняя >>

< Предыдущая		Следующая >

Какой бывает закалка метала?

Для чего нужна закалка стали знали еще древние кузнецы. Правильно выбранная температура закалки стали позволяет изменять основные эксплуатационные характеристики материала, так как происходит преобразование структуры.

Технология закалки стали позволяет придать недорогим сортам металла более высокие эксплуатационные качества. За счет этого снижается стоимость изготавливаемых изделий, повышается прибыльность налаженного производства.

Основные цели, которые преследуются при проведении закалки:

1. Повышение твердости поверхностного слоя.
2. Увеличение показателя прочности.
3. Уменьшение пластичности до требуемого значения, что существенно повышает сопротивление на изгиб.
4. Уменьшение веса изделий при сохранении прочности и твердости

Существуют самые различные методы закалки стали с последующим отпуском, которые существенно отличаются друг от друга. Наиболее важными режимами нагрева можно назвать:

1. Температуру нагрева.
2. Время, требующееся для нагрева.
3. Время выдержки металла при заданной температуре.
4. Скорость охлаждения.

Изменение свойств стали при закалке может проходить в зависимости от всех вышеприведенных показателей, но наиболее значимым называют температуру нагрева. От нее зависит то, как будет происходить перестроение атомной решетки. К примеру, время выдержки при закалке стали выбирается в соответствии с тем, какой прочностью и твердостью должно обладать зубчатое колесо для обеспечения длительной эксплуатации в условиях повышенного износа.

Цвета закалки стали

При рассмотрении того, какие стали подвергаются закалке стоит учитывать, что температура нагрева зависит от уровня содержания углерода и различных примесей. Единицы закалки стали представлены максимальной температурой, а также временем выдержки.

При рассмотрении данного процесса изменения основных эксплуатационных свойств следует учитывать нижеприведенные моменты:

1. Закалка направлена на повышение твердости. Однако с увеличением твердости металл становится и более хрупким.
2. На поверхности может образовываться слой окалины, так как потеря углерода и других примесей у поверхностных слоев больше, чем в середине. Толщина данного слоя учитывается при расчета припуска, максимальных размеров будущих деталей.

Выполняется закалка углеродистой стали с учетом того, с какой скоростью будет проходить охлаждение. При несоблюдении разработанных технологий может возникнуть ситуация, когда перестроенная атомная решетка перейдет в промежуточное состояние. Это существенно ухудшит основные качества материала. К примеру, охлаждение со слишком большой скоростью становится причиной образования трещин и различных дефектов, которые не позволяют использовать заготовку в дальнейшем.

Процесс закалки сталей предусматривает применение камерных печей, которые могут нагревать среду до температуры 800 градусов Цельсия и поддерживать ее на протяжении длительного периода. Это позволяет продлить время закалки стали и повысить качество получаемых заготовок. Некоторые стали под закалку пригодны только при условии нагрева среды до температуры 1300 градусов Цельсия, для чего проводится установка иных печей.

Отдельная технология разрабатывается для случая, когда заготовка имеет тонкие стены и грани. Представлена она поэтапным нагревом.

Зачастую технология поэтапного нагрева предусматривает достижение температуры 500 градусов Цельсия на первом этапе, после чего выдерживается определенный промежуток времени для обеспечения равномерности нагрева и проводится повышение температуры до критического значения. Холодная закалка стали не приводит к перестроению всей атомной сетки, что определяет только несущественное увеличение эксплуатационных характеристик.

Как ранее было отмечено, есть различные виды закалки стали, но всегда нужно обеспечить равномерность нагрева. В ином случае перестроение атомной решетки будет проходить так, что могут появиться серьезные дефекты.

Выбор температуры

Для правильного прохождения процесса закалки очень важен правильный подбор температуры, которая зависит от используемого материала.

Стали по содержанию углерода подразделяются на доэвтектоидные — меньше 0,8% и заэвтектоидные — больше 0,8%. Сталь с углеродом меньше 0,4% не закаливают из-за получаемой низкой твердости. Доэвтектоидные стали нагревают немного выше температуры фазового превращения перлита и феррита в аустенит. Это происходит в интервале 800—850°С. Затем заготовку быстро охлаждают. При резком остывании аустенит превращается в мартенсит, который обладает высокой твердостью и прочностью. Малое время выдержки позволяет получить мелкозернистый аустенит и мелкоигольчатый мартенсит, зерна не успевают вырасти и остаются маленькими. Такая структура стали обладает высокой твердостью и одновременно низкой хрупкостью.

Микроструктура стали

Заэвтектоидные стали нагревают чуть ниже, чем доэвтектоидные, до температуры 750—800°С, то есть производят неполную закалку. Это связано с тем, что при нагреве до этой температуры кроме образования аустенита в расплаве металла остается нерастворенным небольшое количество цементита, обладающего твердостью высшей, чем у мартенсита. После резкого охлаждения аустенит превращается в мартенсит, а цементит остается в виде мелких включений. Также в этой зоне не успевший полностью раствориться углерод образует твердые карбиды.

В переходной зоне при закалке ТВЧ температура близка к переходной, образуется аустенит с остатками феррита. Но, так как переходная зона не остывает так быстро, как поверхность, а остывает медленно, как при нормализации. При этом в этой зоне происходит улучшение структуры, она становится мелкозернистой и равномерной.

После охлаждения на поверхности металла остаются высокие сжимающие напряжения, которые повышают эксплуатационные свойства детали. Внутренние напряжения между поверхностным слоем и серединой необходимо устранить. Это делается с помощью низкотемпературного отпуска — выдержкой при температуре около 200°С в печи. Чтобы избежать появления на поверхности микротрещин, нужно свести к минимуму время между закалкой и отпуском.

Также можно проводить так называемый самоотпуск — охлаждать деталь не полностью, а до температуры 200°С, при этом в ее сердцевине будет оставаться тепло. Дальше деталь должна остывать медленно. Так произойдет выравнивание внутренних напряжений.

https://youtube.com/watch?v=vUaDCaVcjac