Поверхностная закалка ТВЧ

Оборудование для выполнения индукционной закалки (ТВЧ)

Индукционная закалка требует специального технологического оборудования, которое включает три основных узла: источник питания – генератор токов высокой частоты, индуктор и устройство для перемещения деталей в станке.

Генератор токов высокой частоты это электрические машины, различающиеся по физическим принципам формирования в них электрического тока.

1. Электронные устройства, работающие по принципу электронных ламп, преобразующих постоянный ток в переменный ток повышенной частоты – ламповые генераторы.
2. Электромашинные устройства, работающие по принципу наведения электрического тока в проводнике, перемещающихся в магнитном поле, преобразующие трехфазный ток промышленной частоты в переменный ток повышенной частоты – машинные генераторы.
3. Полупроводниковые устройства, работающие по принципу тиристорных приборов, преобразующих постоянный ток в переменный ток повышенной частоты – тиристорные преобразователи (статические генераторы).

Генераторы всех видов различаются по частоте и мощности генерируемого тока

Виды генераторов        Мощность, кВт                Частота, кГц                КПД

Ламповые                          10 – 160                          70 – 400                 0,5 – 0,7

Машинные                        50 – 2500                         2,5 – 10                  0,7 – 0,8

Тиристорные                    160 – 800                           1 – 4                   0,90 – 0,95

Поверхностную закалку мелких деталей (иглы, контакты, наконечники пружин) осуществляют с помощью микроиндукционных генераторов. Вырабатываемая ими частота достигает 50 МГц, время нагрева под закалку составляет 0,01-0,001 с.

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.

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.

Изготовление оборудования самостоятельно

Установка индукционного нагрева большой сложности не составит. Даже тот, кто не имеет опыта, после тщательного изучения справится с поставленной задачей. Перед началом работы нужно запастись следующими необходимыми элементами:

• Инвертор. Его можно использовать от сварочного аппарата, он недорогой и будет необходимой высокой частоты. Изготовить его можно самостоятельно. Но это затратное занятие по времени.
• Корпус нагревателя (для этого подойдет кусок пластиковой трубы, индукционный нагрев трубы в этом случае будет самым эффективным).
• Материал (сгодится проволока диаметром не более семи миллиметров).
• Приспособления для подключения индуктора к сети отопления.
• Сетка для удержания проволоки внутри индуктора.
• Индукционною катушку можно создать из медной проволоки (она должна быть эмалированной).
• Насос (для того, чтобы вода подавалась в индуктор).

Что такое ТВЧ-закалка?

ТВЧ закалка — поверхностное термическое воздействие на сталь, которое проводится при подаче тока высокой частоты. После проведения технологического процесса показатели прочности, твердости увеличиваются, что повышает эксплуатационные характеристики изделия. Технологический процесс состоит из нескольких этапов:

• нагрев до высокой температуры;
• выдержка в одном температурном режиме;
• охлаждение.

Глубина закалки ТВЧ зависит от длительности каждого из этапов.

С помощью оборудования, на котором проводится процесс закалки стали, можно выполнить ТВЧ-пайку. Для этого на рабочую поверхность подаётся ток ещё большей частоты.

Что происходит внутри

Не вдаваясь в особые подробности, следует отметить, что структура закаленной стали бывает трех основных видов: мартенситной, трооститной и сорбитной. От соотношения этих кристаллических образований и зависят механические характеристики

В данном случае неважно, какое из них и каким образом влияет на твердость. Результат зависит от того, насколько прогрет металл и как быстро он охлажден

Таким образом, поверхностная закалка может возникать при повышении температуры верхнего слоя и последующим охлаждением либо в результате отдачи тепла внешней среде (жидкости, чаще всего маслу, воде и рассолу, воздуху или другим агентам), либо за счет частичного ухода его внутрь изделия. При этом полиморфные превращения происходят послойно, в зависимости от степени достижения критической температуры, влияющей на формирование новой кристаллической структуры.

В итоге происходит изменение по следующим зонам:

– Верхняя, подвергшаяся упрочнению.

– Промежуточная, закаленная частично. Ее еще называют зоной термического влияния.

– Область пониженной твердости.

– Внутренняя часть, не подвергшаяся изменениям.

Достоинства и недостатки

Закалка деталей с помощью ТВЧ обладает как достоинствами, так и недостатками. К достоинствам можно отнести следующее:

• После закалки ТВЧ у детали сохраняется мягкой середина, что существенно повышает ее сопротивление пластической деформации.
• Экономичность процесса закалки деталей ТВЧ связана с тем, что нагревается только поверхность или зона, которую необходимо закалить, а не вся деталь.
• При серийном производстве деталей необходимо настроить процесс и далее он будет автоматически повторяться, обеспечивая необходимое качество закалки.
• Возможность точно рассчитать и регулировать глубину закаленного слоя.
• Непрерывно-последовательный метод закалки позволяет использовать оборудование малой мощности.
• Малое время нагрева и выдержки при высокой температуре способствует отсутствию окисления обезуглероживания верхнего слоя и образования окалины на поверхности детали.
• Быстрый нагрев и охлаждение не дают большого коробления и поводок, что позволяет уменьшить припуск на чистовую обработку.

Но индукционные установки экономически целесообразно применять только при серийном производстве, а для единичного производства покупка или изготовление индуктора невыгодно. Для некоторых деталей сложной формы производство индукционной установки очень сложно или невозможно получить равномерность закаленного слоя. В таких случаях применяют другие виды поверхностных закалок, например, газопламенную или объемную закалку.

Состав закалочного комплекса ТВЧ «TESLINE»

• Установка индукционного нагрева на базе IGBT
• Индуктор-спрейер
• Механизм позиционирования детали и индуктора для ТВЧ закалки «А##» Ось вращения – расположение вертикальное
• Перемещение индуктора вдоль детали
• Механизм позиционирования оси индуктора – приводной при помощи джойстика
• Насос с электромагнитным клапаном для подачи закалочной жидкости на спрейер индуктора.
• Насос для откачки закалочной жидкости
• Насос для подачи охлаждающей воды в установку
• Выносной электронный пульт управления
• Кнопочный пульт управления

Комплект технической документации
Руководство по эскплуатации

Меры безопасности при работе

• Основная опасность при работе — опасность получения ожогов от нагреваемых элементов установки и расплавленного металла.
• Ламповая схема включает элементы с высоким напряжением, поэтому её нужно разместить в закрытом корпусе, исключив случайное прикосновение к элементам.
• Электромагнитное поле способно воздействовать на предметы, находящиеся вне корпуса прибора. Поэтому перед работой лучше надеть одежду без металлических элементов, убрать из зоны действия сложные устройства: телефоны, цифровые камеры.

Не рекомендуется использовать установку людям с вживлёнными кардиостимуляторами! Печь для плавки металлов в домашних условиях может использоваться также для быстрого нагрева металлических элементов, например, при их лужении или формовке. Характеристики работы представленных установок можно подогнать под конкретную задачу, меняя параметры индуктора и выходной сигнал генераторных установок — так можно добиться их максимальной эффективности.

Напечатать

Как выбирается температура

Чтобы провести качественную закалку стальной заготовки, нужно выбрать температурный режим обработки, который зависит от вида обрабатываемого материала:

1. Доэвтектоидные стали — содержат менее 0.8% углерода. Во время обработки их разогревают до температуры 850 градусов. После нагрева детали быстро охлаждают. Её погружают в ванную с охлаждающей жидкостью.
2. Заэвтектоидные стали — содержат более 0.8% углерода. Разогреваются до температуры 800 градусов. Таким образом происходит неполная закалка.

Особенности индукционного воздействия на металлические поверхности не позволяют обрабатывать стали, процентное содержание углерода в которых не превышает 0.5%. Для завершения технологического процесса нужно устранить возникшее напряжение между сердцевиной и поверхностью изделия. Чтобы сделать это, проводится низкотемпературный отпуск. Заготовка помещается в печь, разогретую до температуры 200 градусов по Цельсию. Когда температура упадёт, изделию дают остыть при комнатной температуре.

Закалка стали (Фото: Instagram / redventru)

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

Параметры индукционного нагрева

Индукционный нагрев характеризуется тремя параметрами: удельной мощностью, продолжительностью нагрева и частотой тока. Удельная мощность — это мощность переходящая в теплоту на 1 см2 поверхности нагреваемого металла (кВт/см2). От величины удельной мощности зависит скорость нагрева изделия: чем она больше, тем быстрее осуществляется нагрев.

Продолжительность нагрева определяет общее количество передаваемой тепловой энергии, а соответственно и достигаемую температуру

Также важно учитывать частоту тока, так как от нее зависит глубина закаленного слоя. Частота тока и глубина нагреваемого слоя находятся в противоположной зависимости (вторая формула)

Чем выше частота, тем меньше нагреваемый объем металла. Выбирая величину удельной мощности, продолжительность нагрева и частоту тока, можно в широких пределах изменять конечные параметры индукционного нагрева — твердость и глубину закаленного слоя при закалке или нагреваемый объем при нагреве под штамповку.

На практике контролируемыми параметрами нагрева, являются электрические параметры генератора тока (мощность, сила тока, напряжение) и продолжительность нагрева. При помощи пирометров также может фиксироваться температура нагрева металла. Но чаще не возникает необходимости в постоянном контроле температуры, так как подбирается оптимальный режим нагрева, который обеспечивает постоянное качество закалки или нагрева ТВЧ. Оптимальный режим закалки подбирается изменением электрических параметров. Таким образом осуществляют закалку нескольких деталей. Далее детали подвергаются лабораторному анализу с фиксированием твёрдости, микроструктуры, распределения закалённого слоя по глубине и плоскости. При недогреве в структуре доэвтектоидных сталей наблюдается остаточный феррит; при перегреве возникает крупноигольчатый мартенсит. Признаки брака при нагреве ТВЧ такие же, как и при классических технологиях термообработки.

При поверхностной закалке ТВЧ нагрев проводится до более высокой температуры, чем при обычной объемной закалке. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, при очень большой скорости нагрева температуры критических точек, при которых происходит переход перлита в аустенит, повышаются, а во-вторых, нужно, чтобы это превращение успело завершиться за очень короткое время нагрева и выдержки.

Несмотря на то, что нагрев при высокочастотной закалке проводится до более высокой температуры, чем при обычной, перегрева металла не происходит. Так происходит из-за того, что зерно в стали попросту не успевает вырасти за очень короткий промежуток времени. При этом также стоит отметить, что по сравнению с объемной закалкой, твердость после закалки ТВЧ получается выше примерно на 2- 3 единицы HRC. Это обеспечивает более высокую износостойкость и твердость поверхности детали.

Преимущества закалки токами высокой частоты

• высокая производительность процесса
• легкость регулирования толщины закаленного слоя
• минимальное коробление
• почти полное отсутствие окалины
• возможность полной автоматизации всего процесса
• возможность размещения закалочной установки в потоке механической обработки.

Наиболее часто поверхностной высокочастотной закалке подвергают детали, изготовленные из углеродистой стали с содержанием 0,4-0,5% С. Эти стали после закалки имеют поверхностную твердость HRC 55-60. При более высоком содержании углерода возникает опасность появления трещин из-за резкого охлаждения. Наряду с углеродистыми применяются также низколегированные хромистые, хромоникелевые, хромокремнистые и другие стали.

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.

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.

Достоинства и недостатки

Любой метод обработки металлов обладает сильными и слабыми сторонами. Преимущества:

1. У изделий, прошедших закалку токами высокой частоты остаётся мягкая середина. Это делает их устойчивее к пластической деформации.
2. Глубину закалки можно отрегулировать.
3. Металлическая поверхность непродолжительное время подвергается нагреву. Благодаря этому не происходит процессов окисления.
4. Возможность обрабатывать изделия различной формы, размера.
5. На поверхности заготовок не образуется нагар.
6. Минимальное изменение габаритов после проведения технологического процесса. Это позволяет использовать незначительный припуск на готовую деталь.

Недостатки:

1. Для работы в мастерской или гараже приобретать оборудование невыгодно, поскольку оно дорого стоит.
2. Индукционную установку невозможно создать своими руками.

Станки применяются при серийном производстве износоустойчивых деталей.

Таблица №1

Индукционная установка

Индукционная установка для термообработки ТВЧ представляет собой высокочастотный генератор и индуктор для закалки ТВЧ. Закаливаемая деталь может располагаться в индукторе или возле него. Индуктор изготовлен в виде катушки, на ней навита медная трубка. Он может иметь любую форму в зависимости от формы и размеров детали. При прохождении переменного тока через индуктор в нем появляется переменное электромагнитное поле, проходящее через деталь. Это электромагнитное поле вызывает возникновение в заготовке вихревых токов, известных как токи Фуко. Такие вихревые токи, проходя в слоях металла, нагревают его до высокой температуры.

Индукционный нагреватель ТВЧ

Отличительной чертой индукционного нагрева с помощью ТВЧ является прохождение вихревых токов на поверхности нагреваемой детали. Так нагревается только наружный слой металла, причем, чем выше частота тока, тем меньше глубина прогрева, и, соответственно, глубина закалки ТВЧ. Это дает возможность закалить только поверхность заготовки, оставив внутренний слой мягким и вязким во избежание излишней хрупкости. Причем можно регулировать глубину закаленного слоя, изменяя параметры тока.

Повышенная частота тока позволяет сконцентрировать большое количество тепла в малой зоне, что повышает скорость нагревания до нескольких сотен градусов в секунду. Такая высокая скорость нагрева передвигает фазовый переход в зону более высокой температуры. При этом твердость возрастает на 2—4 единицы, до 58—62 HRC, чего невозможно добиться при объемной закалке.

Для правильного протекания процесса закалки ТВЧ необходимо следить за тем, чтобы сохранялся одинаковый просвет между индуктором и заготовкой на всей поверхности закаливания, необходимо исключить взаимные прикосновения. Это обеспечивается при возможности вращением заготовки в центрах, что позволяет обеспечить равномерное нагревание, и, как следствие, одинаковую структуру и твердость поверхности закаленной заготовки.

Индуктор для закалки ТВЧ имеет несколько вариантов исполнения:

• одно- или многовитковой кольцевой — для нагрева наружной или внутренней поверхности деталей в форме тел вращения — валов, колес или отверстий в них;
• петлевой — для нагрева рабочей плоскости изделия, например, поверхности станины или рабочей кромки инструмента;
• фасонный — для нагрева деталей сложной или неправильной формы, например, зубьев зубчатых колес.

В зависимости от формы, размеров и глубины слоя закаливания используют такие режимы закалки ТВЧ:

• одновременная — нагревается сразу вся поверхность заготовки или определенная зона, затем также одновременно охлаждается;
• непрерывно-последовательная — нагревается одна зона детали, затем при смещении индуктора или детали нагревается другая зона, в то время как предыдущая охлаждается.

Одновременный нагрев ТВЧ всей поверхности требует больших затрат мощности, поэтому его выгоднее использовать для закалки мелких деталей — валки, втулки, пальцы, а также элементов детали — отверстий, шеек и т.д. После нагревания деталь полностью опускают в бак с охлаждающей жидкостью или поливают струей воды.

Непрерывно-последовательная закалка ТВЧ позволяет закалять крупногабаритные детали, например, венцы зубчатых колес, так как при этом процессе происходит нагрев малой зоны детали, для чего нужна меньшая мощность генератора ТВЧ.

Закалка ТВЧ стали — разновидности:

Стационарная ТВЧ закалка.

Она применяется для закалки небольших плоских деталей (поверхностей). При этом положение детали и нагревателя постоянно сохраняется.

Непрерывно-последовательная ТВЧ закалка

. При осуществлении данного вида закалки деталь либо перемещается под нагревателем, либо остается на месте. В последнем случае нагреватель сам движется по направлению детали. Такая ТВЧ закалка подходит для обработки плоских и цилиндрических деталей, поверхностей.

Тангенциальная непрерывно-последовательная ТВЧ закалка

. Ее применяют при нагреве исключительно небольших цилиндрических деталей, которые прокручиваются единожды.

Вы хотите приобрести качественное оборудование для закалки? Тогда обращайтесь в научно-производственную . Мы гарантируем, что каждая выпущенная нами установка ТВЧ для закалки — надежна и высокотехнологична.

Индукционный нагрев различных резцов перед пайкой, закалкой, установка индукционного нагрева IHM 15-8-50

Индукционная пайка, закалка (ремонт) дисковых пил, установка индукционного нагрева IHM 15-8-50

Индукционный нагрев различных резцов перед пайкой, закалкой

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.