Технологія термообробки твч. Загартування металів струмами високої частоти

Струм високої частоти утворюється в установці завдяки індуктору і дозволяє нагрівати виріб, розміщений у безпосередній близькості до індуктора. Індукційна установка ідеально підходить для гартування металевих виробів. Саме в ТВЧ установці можна чітко запрограмувати: потрібну глибину проникнення тепла, час гарту, температуру нагрівання та процес охолодження.

Вперше індукційне обладнання було використано для загартування після пропозиції, що надійшла від В.П. Володіна у 1923 році. Після довгих проб і тестувань ТВЧ нагріву його почали використовувати для загартування сталі з 1935 року. Установки ТВЧ для загартування на сьогоднішній день є найбільш продуктивним способом термообробки металевих виробів.

Чому індукційна установка найкраще підходить для загартування

Загартування ТВЧ металевих деталей проводиться для підвищення стійкості верхнього шару виробу до механічних пошкоджень, при цьому центр заготовки має підвищену в'язкість. Важливо відзначити, що серцевина виробу при ТВЧ загартуванні залишається цілком незмінною.
Індукційна установка має чимало важливих переваг у порівнянні з альтернативними видаминагрівання: якщо раніше ТВЧ установки були більш громіздкими та незручними, то зараз цей недолік виправили, і обладнання стало універсальним для термообробки виробів із металу.

Переваги індукційного обладнання

Один із мінусів індукційної установки для гарту – це неможливість обробки деяких виробів, що мають складну форму.

Різновиди загартування металу

Загартування металу буває декількох типів. Для одних виробів достатньо нагріти метал і відразу ж остудити, а для інших потрібна витримка за певної температури.
Існують такі види загартування:

• Стаціонарне загартування: застосовується, як правило, для деталей, що мають невелику плоску поверхню. Положення деталі та індуктора при використанні даного способу загартування залишається незмінним.
• Безперервно-послідовне загартування: застосовується для загартування циліндричних або плоских виробів. При безперервно-послідовному загартуванні деталь може переміщатися під індуктором або зберігає свою позицію незмінною.
• Тангенціальна загартування виробів: відмінно підходить для обробки невеликих деталей, що мають циліндричну форму. Тангенційне безперервно-послідовне загартування прокручує виріб один раз протягом усього процесу термообробки.
• Установка ТВЧ для гарту - це обладнання, здатне зробити якісне гартування виробу і при цьому заощадити виробничі ресурси.

У гідромеханічних системах, пристроях та вузлах найчастіше використовуються деталі, які працюють на тертя, здавлювання, скручування. Саме тому основна вимога до них – достатня твердість поверхні. Для отримання необхідних характеристик деталі поверхня загартовується струмом високої частоти (ТВЧ).

У процесі застосування загартування ТВЧ показало себе як економний та високоефективний спосіб термічної обробкиповерхні металевих деталей, що надає додаткову зносостійкість та високу якість обробленим елементам.

Нагрів струмами ВЧ заснований на явищі, при якому внаслідок проходження змінного високочастотного струму по індуктору (спіральний елемент, виконаний з мідних трубок) навколо нього формується магнітне поле, що створює в металевій деталі вихрові струми, які викликають нагрівання виробу, що загартовується. Перебуваючи виключно на поверхні деталі, вони дозволяють нагріти її на певну глибину, що регулюється.

Загартування ТВЧ металевих поверхонь має відмінність від стандартного повного загартування, яке полягає в підвищеній температурі нагріву. Це двома чинниками. Перший - при високій швидкості нагріву (коли перліт переходить в аустеніт) рівень температури критичних точок підвищується. А другий – що швидше проходить перехід температур, то швидше відбувається перетворення металевої поверхні, адже воно має статися за мінімальний час.

Варто сказати, незважаючи на те, що при використанні високочастотного загартування викликається нагрівання більше звичайного, перегріву металу не відбувається. Таке явище пояснюється тим, що зерно в сталевих деталях не встигає збільшитися, завдяки мінімальному часу високочастотного нагріву. До того ж, через те, що рівень нагріву вищий і охолодження інтенсивніше, твердість заготовки після її загартування ТВЧ зростає приблизно на 2-3 HRC. А це гарантує найвищу міцність та надійність поверхні деталі.

Разом з тим є додатковий важливий фактор, який забезпечує підвищення зносостійкості деталей при експлуатації. Завдяки створенню мартенситної структури, на верхній частині деталі утворюються стискаючі напруги. Дія таких напруг виявляється найвищою мірою при невеликій глибині загартованого шару.

Застосовувані для гарту ТВЧ установки, матеріали та допоміжні засоби

Повністю автоматичний комплекс високочастотного гарту включає в себе гартальний верстат і ТВЧ установки (кріпильні системи механічного типу, вузли повороту деталі навколо своєї осі, рухи індуктора за заготовкою, насосів, що подають і відкачують рідину або газ для охолодження, електромагнітних клапанів перемикання робочих рідин або газів (Вода / емульсія / газ)).

ТВЧ верстат дозволяє переміщати індуктор по всій висоті заготовки, а також обертати заготівлю на різних рівнях швидкості, регулювати вихідний струм на індукторі, а це дає можливість вибрати правильний режим процесу загартування та отримати рівномірно. тверду поверхнюзаготівлі.

Принципова схема індукційної установки ТВЧ для самостійного складання було наведено.

Індукційне високочастотне загартування можна охарактеризувати двома основними параметрами: ступенем твердості та глибиною загартування поверхні. Технічні параметриіндукційних установок, що випускаються на виробництві, визначаються потужністю і частотою роботи. Для створення загартованого шару застосовують індукційні нагрівальні пристрої потужністю 40-300 кВА при показниках частоти 20-40 кілогерц або 40-70 кілогерц. Якщо необхідно провести загартування шарів, що знаходяться глибше, варто застосовувати показники частот від 6 до 20 кілогерців.

Діапазон частот вибирається виходячи з номенклатури марок сталі, а також рівня глибини загартованої поверхні виробу. Існує великий асортимент комплектацій індукційних установок, що допомагає вибрати раціональний варіант для конкретного технологічного процесу.

Технічні параметри автоматичних верстатів для гартування визначаються габаритними розмірамивикористовуваних деталей для загартування за висотою (від 50 до 250 сантиметрів), діаметром (від 1 до 50 сантиметрів) і масою (до 0,5 т, до 1т, до 2т). Комплекси для гарту, висота яких становить 1500 мм і більше, оснащені електронно-механічною системою затискання деталі з певним зусиллям.

Високочастотне загартування деталей здійснюється у двох режимах. У першому кожен пристрій індивідуально підключається оператором, а в другому відбувається без його втручань. Як середовище загартування зазвичай вибирають воду, інертні гази або полімерні склади, що мають властивості теплопровідності, близькі до масла. Середовище гарту вибирається залежно від потрібних параметрів готового виробу.

Технологія загартування ТВЧ

Для деталей або поверхонь плоскої форми маленького діаметру використовується високочастотне загартування стаціонарного типу. Для успішної роботи розташування нагрівача та деталі не змінюється.

При застосуванні безперервно-послідовного ТВЧ загартування, яке найчастіше використовується при обробці плоских або циліндроподібних деталей і поверхонь, одна із складових системи повинна переміщатися. У такому випадку або пристрій, що нагріває, переміщається у напрямку до деталі, або деталь рухається під нагріваючим апаратом.

Для нагрівання виключно циліндроподібних деталей невеликого розміру, що прокручуються один раз, застосовують безперервно-послідовне високочастотне загартування тангенціального типу.

Структура металу зубця шестерні, після загартування ТВЧ методом

Після здійснення високочастотного нагрівання виробу здійснюють його низьку відпустку при температурі 160-200°С. Це дозволяє збільшити зносостійкість поверхні виробу. Відпустки відбуваються в електропечах. Ще один варіант - здійснення самовідпустки. Для цього необхідно трохи раніше відключити пристрій, що подає воду, що сприяє неповному охолодженню. Деталь зберігає високу температуруяка нагріває загартований шар до температури низької відпустки.

Після здійснення гарту також застосовується електровідпустка, при якій нагрівання здійснюється за допомогою ВЧ установки. Для досягнення бажаного результату нагрівання проводиться з більш низькою швидкістю і глибше, ніж при поверхневому загартуванні. Необхідний режим нагрівання можна визначити шляхом підбору.

Для поліпшення механічних параметрів серцевини та загального показника зносостійкості заготівлі потрібно провести нормалізацію та об'ємне загартування з високою відпусткою безпосередньо перед поверхневим загартуванням ТВЧ.

Сфери застосування загартування ТВЧ

Загартування ТВЧ використовується в ряді технологічних процесів виготовлення наступних деталей:

• валів, осей та пальців;
• шестерень, зубчастих коліс та вінців;
• зубів або западин;
• щілин та внутрішніх частин деталей;
• кранових коліс та шківів.

Найбільш часто високочастотне загартування застосовують для деталей, які складаються з вуглецевої сталі, що містить піввідсотка вуглецю. Подібні вироби набувають високої твердості після гарту. Якщо наявність вуглецю менша за вищевказане, подібна твердість вже недосяжна, а при більшому відсотку швидше за все виникнуть тріщини при охолодженні водяним душем.

У більшості ситуацій загартування струмами високої частоти дозволяє замінити сталі, що пройшли легування, дешевшими - вуглецевими. Це можна пояснити тим, що такі переваги сталей з легуючими добавками, як глибока прожарювання і менше спотворення поверхневого шару, для деяких виробів втрачають значення. При високочастотному загартуванні метал стає міцнішим, яке зносостійкість зростає. Так само, як вуглецеві використовуються хромисті, хромонікелеві, хромокремністі та багато інших видів сталей з низьким відсотком легуючих добавок.

Переваги та недоліки методу

Переваги загартування струмами ВЧ:

• повністю автоматичний процес;
• робота з виробами будь-яких форм;
• відсутність нагару;
• мінімальна деформація;
• варіативність рівня глибини загартованої поверхні;
• індивідуально обумовлені параметри загартованого шару.

Серед недоліків можна виділити:

• потреба у створенні спеціального індуктора для різних форм деталей;
• труднощі у накладці рівнів нагріву та охолодження;
• Висока вартість обладнання.

Можливість використання загартування струмами ВЧ в індивідуальному виробництві малоймовірна, але в масовому потоці, наприклад, при виготовленні колінчастих валів, шестерень, втулок, шпинделів, валів холодної прокатки та ін, загартування поверхонь ТВЧ набуває все більш широкого застосування.

Плавка металу методом індукції широко застосовується у різних галузях: металургії, машинобудуванні, ювелірній справі. Просту піч для індукційного типу для плавки металу в домашніх умовах можна зібрати своїми руками.

Нагрів та плавка металів в індукційних печах відбуваються за рахунок внутрішнього нагріву та зміни кристалічної решітки металу при проходженні через них високочастотних вихрових струмів. В основі цього процесу лежить явище резонансу, при якому вихрові струми мають максимальне значення.

Щоб викликати протікання вихрових струмів через метал, що розплавляється, його поміщають в зону дії електромагнітного поля індуктора - котушки. Вона може мати форму спіралі, вісімки або трилисника. Форма індуктора залежить від розмірів і форми заготівлі, що нагрівається.

Котушка індуктора підключається до джерела змінного струму. У виробничих плавильних печах використовують струми промислової частоти 50 Гц, для плавки невеликих обсягів металів у ювелірній справі використовують високочастотні генератори як ефективніші.

Види

Вихрові струми замикаються за контуром, обмеженим магнітним полеміндуктор. Тому нагрівання струмопровідних елементів можливе як усередині котушки, так і із зовнішнього боку.

Тому індукційні печі бувають двох типів:
• канальні, у яких ємністю для плавки металів є канали, розташовані навколо індуктора, а всередині нього розташований сердечник;
• тигельні, в них використовується спеціальна ємність - тигель, виконаний з жароміцного матеріалу, зазвичай знімний.

Канальна пічнадто габаритна та розрахована на промислові обсяги плавки металів. Її використовують при виплавці чавуну, алюмінію та інших кольорових металів.
Тигельна пічдосить компактна, їй користуються ювеліри, радіоаматори, таку піч можна зібрати своїми руками та застосовувати в домашніх умовах.

Пристрій

Саморобна піч для плавки металів має досить просту конструкцію і складається з трьох основних блоків, поміщених у загальний корпус:
• генератор змінного струму високої частоти;
• індуктор - спіралеподібна обмотка з мідного дротучи трубки, виконана своїми руками;
• тигель.

Тигель поміщають індуктор, кінці обмотки підключають до джерела струму. При протіканні струму обмоткою навколо неї виникає електромагнітне поле зі змінним вектором. У магнітному полі виникають вихрові струми, спрямовані перпендикулярно до його вектора і проходять по замкнутому контуру всередині обмотки. Вони проходять через метал, покладений в тигель, нагріваючи його до температури плавлення.

Переваги індукційної печі:

• швидке і рівномірне нагрівання металу відразу після включення установки;
• спрямованість нагріву - гріється лише метал, а чи не вся установка;
• висока швидкість плавлення та однорідність розплаву;
• відсутня випаровування легуючих компонентів металу;
• установка екологічно чиста та безпечна.

Як генератор індукційної печі для плавки металу може бути використаний зварювальний інвертор. Також можна зібрати генератор за наведеними нижче схемами своїми руками.

Пекти для плавки металу на зварювальному інверторі

Ця конструкція відрізняється простотою та безпекою, тому що всі інвертори обладнані. внутрішніми захистамивід навантажень. Все збирання печі в цьому випадку зводиться до виготовлення своїми руками індуктора.

Виконують його зазвичай у формі спіралі з мідної тонкостінної трубки діаметром 8-10 мм. Її згинають за шаблоном потрібного діаметра, розташовуючи витки з відривом 5-8 мм. Кількість витків - від 7 до 12, залежно від діаметра та характеристик інвертора. Загальний опір індуктора має бути таким, щоб не викликати перевантаження струмом в інверторі, інакше він відключатиметься внутрішнім захистом.

Індуктор можна закріпити в корпусі з графіту або текстоліту і встановити тигель. Можна просто поставити індуктор на термостійку поверхню. Корпус не повинен проводити струм, інакше замикання вихрових струмів проходитиме через нього, і потужність установки знизиться. З цієї причини не рекомендується розташовувати у зоні плавлення сторонні предмети.