Поверхностная закалка при нагреве электрическим током

Электрический ток, проходя по детали, как по проводнику, встречает сопротивление, в результате чего деталь нагревается. Количество тепла можно подсчитать по известной формуле.

Изменяя силу тока I, можно получить любое количество тепла и, следовательно, любую температу

Характерной особенностью электротермообработки является нагрев с очень большой скоростью, в тысячи, десятки тысяч раз превышающий нагрей в печи от внешнего источника тепла.

Превращения при таких скоростях происходят с таким большим перенагревом, что использование равновесной диаграммы железо — углерод для определения температуры закалки становится невозможным. Удовлетворительная структура в закаленном изделии получается в доэвтектоидных сталях не при перегреве на 20-30°С выше Ac₃, а при значительно более высоких перегревах на 100°С, а иногда на 200°С.

Как показывает диаграмма (рис. 30), если нагрев осуществить со скоростью 600°/сек, то удовлетворительная структура получается при нагреве в 850–1050°С. При нагреве с такой же скоростью до 800°С в структуре остается еще перлит.

С уменьшением скорости нагрева, как видно из приведенной диаграммы, оптимальный температурный интервал нагрева под закалку снижается.

Как показывает опыт М. Е. Блантера, чем с большим перенагревом происходит образование аустенита, тем меньшего размера полу­чается начальное зерно аустенита. Этим можно объяснить, почему при скоростном электронагреве получаются более мелкозернистая структура (чем при обычном нагреве в печи) и более высокие механические свойства.

Перегрев при нагреве электротоком не сказывается так сильно на ухудшении свойств.

Для нагрева электротоком в настоящее время пользуются преимущественно токами высокой частоты (ТВЧ).

Рис. 30. Получение структуры при закалке в зависимости

от времени (скорости) нагрева. Сталь У10.

I – интервал закалочных температур при быстром нагреве;

II– интервал закалочных температур при медленном нагреве.

Впервые применение токов высокой частоты для нагрева металла, для термообработки, в частности, было осуществлено В. П. Вологдиным (1923—1924); им же в дальнейшем были разработаны электротехнические основы высокочастотного нагрева и проведено много работ по внедрению этого способа в промышленность. Первым применил в массо­вом порядке высокочастотный нагрев Автозавод им. Сталина. В то время как электротехнические вопросы применения токов высокой частоты раз­работаны советскими электриками (В. П. Вологдин, М. Г. Лозинский и др.) с достаточной полнотой, металловедческая сторона высокочастот­ного нагрева разработана еще недостаточно. Первые исследования осо­бенностей электронагрева на структуру принадлежат Н. В. Гевелингу.

Как известно, обычный переменный ток в городской сети имеет частоты 50 Гц и относится к токам низкой частоты (промышленная частота). Переменный ток с частотой выше 500 Гц относится к токам высо­кой частоты. При этом токи высокой частоты разбивают на две группы: звуковая частота от 500 до 5000 Гц и радиочастота от 15 000 до 10 Гц.

Распределение переменного тока по сечению проводника неравно­мерно. Плотность тока на поверхности больше, чем в сердцевине. Прак­тически считают, что ток идет, по поверхностному слою на глубине δ, зависящей от частоты в соответствии со следующим эмп

где

f — частота тока в Гц:

δ— глубина проникновения тока, практически равная глубине за­калки.

Из приведенного уравнения видно, что чем больше частота, тем меньше глубина проникно­вения тока.

При нагреве токами высо­кой частоты магнитный поток, создаваемый переменным то­ком, проходящим по проводни­ку (индуктору), наводит в ме­талле детали, помещенной внутри индуктора, вихревые токи, которые нагревают деталь.

Для нагрева металла высо­кочастотным индукционным ме­тодом необходимо прежде все­го иметь ток высокой частоты, который получают от специ­ального машинного генератора (частота в диапазоне от 500 до 5000 и даже до 15 000 Гц) или от лампового генерато­ра (частота в диапазоне до 10 000 000 Гц).

Для мелких деталей и при нагреве на небольшую глубину следует применить ламповые генераторы, а для крупных де­талей и при нагреве на боль­шую глубину (свыше 2-3мм) – машинные генераторы.

При выборе мощности ге­нератора следует руководство­ваться поверхностью нагрева детали, считая, что на 1 см² поверхности потребуется мощ­ность от 0,2 до 0,5 кВА. В слу­чае нагрева деталей с очень большой поверхностью (свыше 300 см²) следует нагревать всю поверхность не сразу, а после­довательно.

Основным условием пра­ви

На рис. 31 представлен индуктор для закалки цилиндрических дета­лей. Деталь 1 сначала прогревают в индукторе 2, затем опускают в кольцо 3, где закаливают водой, поступающей из отверстий в кольце. Зазор между деталью и индуктором берется строго определенной ве­личины, от которой зависит режим нагрева; поэтому каждый индуктор предназначен для детали строго определенной формы и размеров. До­статочно незначительно изменить размеры детали или изготовить их из другой стали, как данный индуктор уже не будет давать правильного и равномерного нагрева. С другой стороны, хороший индуктор может оказаться плохим для тех же деталей в случае незначительного измене­ния электрического или термического режима нагрева. Отсюда ясно, что индукционная высокочастотная закалка будет экономичной лишь в слу­чае применении в серийном или в массовом производстве; в прочих слу­чаях она становится невыгодной.

При высокочастотном индукционном нагреве, несмотря на тщатель­ность подбора формы индуктора н электрического режима, все же не удается в полной мере получить однородную температуру в различных точках детали; при этом перепад температур может достигать 150—200°С. Регулируя время предварительного нагрева и некоторые параметры электрического режима, можно достигнуть более равномерного нагрева и небольшого перепада в температурах на данной глубине.

Рис. 31. Закалка цилиндрической детали с нагревом токами частоты:

1 – закаливаемая деталь; 2 – индуктор; 3 – скрепер,

кольцо с отверстиями для воды;

а – исходное положение; б – нагрев; в – закалка.

Преимуществами высокочастотного нагрева являются:

а) более высокие механические свойства, чем после обычной за­калки; особенно повышаются предел текучести и сопротивление удару;

б) отсутствие выгорания углерода и других элементов, а также от­сутствие заметного окисления и образования окалины;

в) минимальное коробление;

г) глубина закаленного слоя может довольно точно регулироваться.

Все эти положительные особенности, а также быстрота процесса, большая производительность и возможность автоматизации позволяют считать метод индукционной высокочастотной закалки одним из наибо­лее рациональных, и в ряде отраслей промышленности он с успехом внедрен в производство.

Первоначально метод высокочастотного нагрева применяли для по­верхностной закалки на глубину до 5 мм. Дальнейшие исследования выяснили возможность применения данного метода и для сквозного на­грева. Такая возможность открывает большие перспективы перед вы­сокочастотным нагревом во многих отраслях промышленности, особенно для сквозного нагрева под ковку.

Недостатком метода индукционного нагрева является непримени­мость высокочастотного нагрева к отдельным единичным деталям, так как стоимость индуктора и подбор режимов слишком удорожают про­цесс. Вторым недостатком является значительн

Однако в условиях массового и серийного производства, когда установка загружена полностью, а стоимость индуктора на одну деталь ничтожна, эти недостатки практически отсутствуют.

В заключение нужно указать, что данный метод представляет боль­шое удобство, так как установки можно поместить в любом цехе по ходу потока производства, что дает дополнительно большую экономию во времени и в транспортных средствах.