УСТАНОВКИ ВНЕПЕЧНОГО НАГРЕВА

 

Согласно общепринятой классификации, можно выделить нагревательные установки с внутренним (непосредственный электронагрев, контактный, индукционный, в электролитах) и внешним (газокислородное пламя, низкотемпературная плазма) источниками тепла. В последнее время при термообработке начинают использовать электронно-лучевой нагрев и нагрев лучом лазера.

При нагреве внутренним источником тепло генерируется в самом металле в результате воздействия электрического тока или быстроменяющегося электромагнитного поля. Скорость нагрева в этом случае определяется мощностью установки. Увеличивая последнюю, можно достичь весьма высоких скоростей нагрева. Например, при непосредственном пропускании электрического тока через проводник скорость нагрева образцов диаметром 10...20 мм достигает 1000 ºС/с. Время индукционного нагрева и нагрева в электролите составляет 3...8 с. Высокая скорость нагрева объясняется большим количеством энергии, генерируемой внутри самой нагреваемой детали, что создаёт благоприятные условия для процессов фазовых превращений, сопровождающихся поглощением тепла.

При электронагреве, в отличие от обычных способов, сохраняется мелкое зерно аустенита, что дает возможность получать более высокие свойства; при заданном уровне характеристик прочности значительно возрастает ударная вязкость; в значительной степени уменьшаются окисление и обезуглероживание.

Конструкции применяемых установок определяются выбранным видом (электроконтактный, индукционный и др.) и методом нагрева. Используют обычно три метода:

1. Одновременного нагрева и охлаждения всей закаливаемой поверхности детали. Метод отличается высокой производительностью, но, применяемые установки должны иметь большую мощность. Кроме того, при этом способе в месте начала и конца закалки остаётся отпущенная полоска на всю длину закаливаемой поверхности шириной около пяти толщин закалённого слоя.

2. Последовательного нагрева отдельных участков деталей. Необходимая мощность установок значительно снижается. Метод широко применяется для поочередной поверхностной закалки шеек коленчатых валов, кулачков распределительных валиков, зубьев шестерён большого модуля и др. Недостатком этого способа является наличие мягких отпущенных полосок шириной до 10 мм на стыке двух соседних закалённых участков.

3. Непрерывно-последовательного нагрева при движении детали или нагревающего приспособления (индуктора) с постоянной скоростью. Указанный метод позволяет применять установки с минимальной мощностью. Однако при этом необходимо, чтобы детали по длине имели одинаковое сечение (валы, трубы, профили проката).

Установки с внешним источником тепла используют при поверхностной закалке газокислородным пламенем и химико-термической обработке с применением низкотемпературной плазмы.

 

Индукционный нагрев

Основоположником способов индукционного нагрева в нашей стране является В.П.Вологдин, который разработал теорию индукционного нагрева и создал первые промышленные установки.

Индукционный нагрев, широко применяемый в настоящее время в различных отраслях промышленности, обеспечивает высокую производительность, экономичность, автоматизацию производства, улучшение условий труда и повышение качества нагреваемых заготовок. Индукционный нагрев с последующей закалкой является одним из наиболее совершенных и рациональных методов поверхностного упрочнения стальных деталей. Однако индукционный нагрев имеет также некоторые недостатки, ограничивающие его применение. Использование индукционных установок экономично только для нагрева изделий одинаковых сечений. При нагреве сложных изделий КПД установок очень низок (0,1...0,2). При сквозном нагреве изделий трудно обеспечить высокую равномерность их нагрева. Индукционные установки малопригодны для низкотемпературного нагрева.

Сущность индукционного нагрева заключается в следующем. Заготовка (деталь) помещается в переменное электромагнитное поле проводника, несущего ток промышленной или повышенной частоты. Этот проводник называется индуктором и обычно изготовляется из медных трубок, которые навиваются в виде спиралей круглого или другого сечения (в зависимости от формы нагреваемой заготовки). Ему может быть придана любая другая форма, если это необходимо для получения заданного температурного поля детали. Вследствие электромагнитной индукции в детали возникает вихревой ток (ток Фуко), который её нагревает. Ферромагнитные материалы нагреваются также теплом, выделяющимся при перемагничивании.

Δ=

(5.1)

где Δ – глубина проникновения тока, см; ρ_t – удельное электрическое сопротивление нагреваемого тела, Ом·см; μ – относительная магнитна проницаемость нагреваемого тела, Гс/Э; f – частота тока, питающего индуктор, Гц.

С повышением температуры металла ρ_t возрастает, а μ уменьшается и для сталей при переходе из ферромагнитного состояния в парамагнитное становится равным 1 Гс/Э, следствие чего глубина проникновения тока в изделие увеличивается.

Глубина проникновения тока при «горячем режиме» может быть принята за глубину нагрева, так как в этом слое выделяется основная часть энергии (~ 86,5%).

В табл. 5.1 приведены данные по глубине проникновения тока в материалы при различных температурах и частотах тока.

 

Таблица 5.1

Глубина проникновения индукционных токов в различные материалы в зависимости от температуры и частоты тока

Материал	Температура, 0С	Глубина проникновения тока, см, при частоте, Гц
		50	1000	2500	8000	70.000	150.000
конструкци­онная сталь	20	0.280	0.064	0.040	0.022	0.007	0.005
	1000	8.500	1.900	1.200	0.700	0.220	0.160
аустенитная сталь	20	3.220	0.715	0.450	0.250	0.085	0.058
	1000	8.550	0.900	1.200	0.670	0.220	0.155
алюминий	20	1.200	0.270	0.170	0.095	0.032	0.021
	600	2.400	0.540	0.340	0.170	0.064	0.042
медь	20	0.95	0.210	0.134	0.075	0.025	0.013

 

Необходимую частоту тока в зависимости от формы изделия и толщины слоя можно определить по следующим формулам:

                              f ≈                                                                  (5.2)

для деталей простой конфигурации;

                              f ≈                                                                  (5.3)

для деталей сложной конфигурации;

                              f ≈                                                                  (5.4)

 

для шестерен с модулем т более 8 мм.

Превышать полученные частоты не рекомендуется, так как это сопровождается увеличением времени нагрева и снижением КПД. Необходимая частота тока зависит также от диаметра детали. Ниже приведены рекомендуемые частоты для нагрева деталей различного диаметра:

 

 

Частота тока, Гц	50	500	1000	2500	8000	60.000 и выше
Диаметр детали, см	15	7…15	5…12	3…8	2…4	меньше 3

 

Практически для индукционного нагрева при термической обработке используют три частоты:

1) f = 60.000 ... 80.000 Гц — для деталей диаметром меньше 3 см при источнике тока от ламповых генераторов. Большие частоты не применяют, так как они входят в диапазон радиочастот;

2) f = 1000 ... 10.000 Гц — для деталей диаметром 3...15 см и толщиной нагретого слоя свыше 20 мм. Используются машинные или тиристорные преобразователи;

3) f = 50 Гц — для поверхностного нагрева деталей диаметром больше 15 см, а также для сквозного нагрева с питанием от сети.

 

⇐ Предыдущая11121314151617181920Следующая ⇒

Поделиться: