2. Высокочастотная закалка

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

Изменяя силу тока можно получить любое количество тепла и, следовательно, любую температуру и любую скорость нагрева. Сопротивление проводника металла зависит от рода металла. Время воздействия тока для увеличения производительности процесса берут небольшим.

Характерной особенностью электротермической обработки является нагрев с очень большой скоростью, в сотни и тысячи раз превышающей скорость нагрева в печи от внешнего источника тепла. Нагреваются только поверхностные слои металла, чем больше частота тока, тем на меньшую глубину прогревается, следовательно, и закаливается изделие.

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

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

Как известно, обычный переменный ток в городской сети имеет частоту 50 Гц и относится к токам низкой частоты (промышленная частота). Переменный ток с частотой выше 50 Гц относится к токам высокой частоты.

Ток высокой частоты для индукционного нагрева металла получают от специального машинного генератора (частота от 500 до 5000 и даже до 15 000 Гц) или от лампового генератора (частота до 10 000 000 Гц).

Распределение переменного тока по сечению проводника неравномерно. Плотность тока на поверхности больше, чем в сердцевине. Практически считают, что ток идет по поверхностному слою, глубина которого (6) зависит от частоты:

где — частота тока Гц; — глубина проникновения тока, см; — удельное электросопротивление, Ом-см; — магнитная проницаемость,

Из приведенного уравнения видно, что чем больше частота тем меньше глубина проникновения тока Поэтому 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—3 мм) — машинные генераторы.

Переход через точку магнитного превращения приводит к резкому уменьшению значения магнитной проницаемости поэтому величина возрастает и скорость нагрева уменьшается (рис. 251). Следовательно, скорость нагрева при температурах ниже и выше точки магнитных превращений различна, что необходимо учитывать при установлении режима нагрева.

Каждой скорости нагрева соответствует свой оптимальный интервал закалочных температур (см. рис. 250), но под скоростью нагрева следует понимать не среднюю скорость, а скорость нагрева в районе фазовых превращений (выше точки А.

До точки т. е. когда сталь магнитна, нагрев происходит быстро, а выше точки магнитная проницаемость уменьшилась в тысячи раз, и поэтому глубина резко возросла, удельная мощность (на нагреваемого слоя) уменьшилась, и скорость нагрева поэтому тоже резко замедлилась (см. рис. 251).

Остановка при во время нагрева обусловлена перераспределением тока по сечению.

Основное условие правильного и по возможности равномерного индукционного нагрева — создание для каждой детали индуктора соответствующей формы и очертаний. Индуктор изготавливают в виде петли или витка из трубок красной меди (рис. внутри индуктора помещают нагреваемую деталь (рис. 252, б); затем нагретую часть детали перемещают из индуктора в душирующее устройство (спрейер), где деталь закаливается (рис. 252, в).

Преимущества высокочастотного нагрева: а) высокая производительность; 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. Наглядным примером служит макроструктура (рис. 253) шестерни.

Рис. 251. Иэиеиение магнитной проницаемости и глубины проникновения тока (б) при высокочастотном нагреве

Рис. 252. Закалка с нагревом токами высокой частоты: 1 — закаливаемая деталь; 2 — индуктор; 3 — спрейер

Рис. 253. Макроструктура шестерни после высокочастотной згкалкн

Эти положительные качества, большая производительность и возможность автоматизации позволяют считать метод индукционной высокочастотной закалки одним из наиболее рациональных методов термической обработки.

Для поверхностной закалки применяют обычные углеродистые стали с содержанием углерода и выше. Легированные стали применять, как правило, не следует, так как глубокая прокаливаемость, которая достигается легированием, здесь совершенно не нужна. Более того, в ряде случаев требуются стали пониженной прокаливаемости. Например, известно, что весьма трудно равномерно нагреть шестерню на одинаковую глубину по всему контуру. При

нагреве в машинном генераторе будут сильнее нагреваться впадины, а в ламповом генераторе — вершины зубьев. Предложен (К. 3. Шепеляковским) способ глубокого индукционного нагрева стали пониженной прокаливаемости. На рис. 253 показан макрошлиф шестерни из стали пониженной прокаливаемости, закаленной после глубокого индукционного нагрева. Выше критической точки был нагрет весь зуб и часть основания, но так как сталь была пониженной прокали ваемости, то закалилась она только в поверхностном (светлом) слое. Видно, что глубина закаленного слоя везде одинаковая. Сталями пониженной прокаливаемости являются углеродистые стали с минимальным содержанием постоянных (марганца, кремния) и случайных (хрома, никеля и т. д.) примесей (стали марок

Первоначально метод высокочастотного нагрева применяли для поверхностной закалки на глубину до 5 мм. В дальнейших исследованиях было выяснено, что этот метод можно применять и для сквозного нагрева. Такая возможность открывает большие перспективы перед высокочастотным нагревом во многих отраслях промышленности, особенно для сквозного нагрева под ковку.

Ограниченность применения метода индукционного нагрева состоит в том, что для отдельных единичных деталей его применять не целесообразно, так как стоимость индуктора и подбор режимов в этом случае слишком удорожает процесс.

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

В заключение отметим, что данный метод очень удобен, так как установку можно поместить в любом цехе по ходу потока производства, (не обязательно в специальных термических цехах), что дает дополнительно большую экономию в производственных площадях и в транспортных средствах.

Впервые метод высокочастотной закалки был применен для термической обработки автомобильных деталей В. П. Вологдиным; металловедческие проблемы, связанные с быстрым нагревом стали, изучены Н. В. Гевелингом, И. Н. Кидиным, М. Г. Лозинским и К. 3. Шепеляковским.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

(см. скан)