Закалка с индукционным нагревом

Это наиболее распространенный способ поверхностной закалки. Нагревание детали происходит с помощью токов высокой частоты (ТВЧ) и основано на использовании явлений электромагнитной индукции и поверхностного распределения индукционного тока.

Деталь устанавливается в индуктор, представляющий собой один или несколько витков пустотелой медной водоохлаждаемой трубки. При пропускании через индуктор переменного тока высокой частоты создается магнитное поле. В поверхностных слоях детали наводится индукционный ток той же частоты, но противоположного направления. Этот ток нагревает деталь, при этом глубина нагрева зависит от частоты тока согласно следующей зависимости:

δ = 4,46·10⁵ ,

где δ - глубина нагрева, м;

r - удельное электросопротивление, Ом·м;

m - магнитная проницаемость, Гн/м;

f - частота тока, Гц;

Из анализа этой формулы следует, что чем больше частота тока, тем меньше глубина нагрева и, соответственно, толщина закаленного слоя. Для стали 45 глубина проникновения тока для частот 1000; 10 000; 1 000 000 Гц составляет, соответственно, 10; 6; 0,6 мм.

Для нагревания используют машинные и ламповые генераторы. Первые вырабатывают ток частотой до 10 000 Гц, а вторые – свыше 10 000 Гц. В машинных генераторах закаливают детали диаметром 5…50 мм на глубину от 1 до 10мм. Ламповые генераторы применяют для закалки более мелких деталей с толщиной закаленного слоя до 1 мм.

Скорость нагревания ТВЧ составляет 50...500^оС/с, а при обычном нагревании в газовой или электрической печи скорость не превышает 5^оС/с. Большие скорости нагрева приводят к тому, что образование аустенита и, соответственно, температура нагрева для закалки смещаются в область более высоких температур. Например, при печном нагреве стали 40 температура закалки составляет 840...860^оС, а при нагреве со скоростью 500^оС/с – 980 ...1020^оС. После такого скоростного нагрева образуется мелкое зерно аустенита (10-12 балл), а после печного нагрева зерно значительно крупнее (8 балл).

Охлаждающую жидкость (воду, водовоздушные смеси, водяные растворы полимеров) для закалки подают через спрейер (душевое устройство). Скорости охлаждения при закалке после индукционного нагрева значительно превышают те, которые достигаются при объемной закалке. Это объясняется малой толщиной нагретого слоя в сравнении с общим объемом детали и дополнительным отводом тепла в её центральные зоны. Вследствие этого структура закаленного поверхностного слоя состоит из мелкоигольчатого мартенсита с твердостью на 3...6 HRC выше, чем при печном нагреве.

Существуют следующие способы индукционной закалки:

- одновременное нагревание и охлаждение всей поверхности;

- непрерывно-последовательное нагревание и охлаждение;

- последовательное нагревание и охлаждение отдельных участков.

Первый способ применяется для изделий, которые имеют небольшую поверхность упрочнения, в частности, для инструмента, валов, и т. п.; второй – для длинных валов и осей; а третий – для шеек коленчатых валов, кулачков распределительных валов.

После закалки с индукционным нагревом изделия подвергают низкому отпуску при 160...200^оС, а иногда и самоотпуску.

Для поверхностной закалки с индукционным нагревом применяют стали с содержанием углерода 0,4...0,5% (40, 45, 40Х, 45Х и др.). Легированные стали практически не применяются, поскольку нет необходимости в глубокой прокаливаемости, достигаемой легированием.

К преимуществам индукционного нагрева следует отнести высокую производительность, а также практически полное отсутствие обезуглероживания, окисления и деформации, что позволяет в определенных случаях сделать такую обработку финишной операцией. Немаловажным достоинством является наличие возможности для регулирования глубины закаленного слоя.

Однако необходимо отметить, что в связи с высокой стоимостью оборудования и оснастки для индукционной закалки её применение экономически целесообразно только в условиях массового производства.

2.4.2.2 Закалка деталей с газопламенным нагревом

Закалка с нагревом деталей газокислородным пламенем – один из наиболее целесообразных методов поверхностного упрочнения в условиях индивидуального производства. В качестве горючих газов чаще всего используют ацетилен, коксовый или природный газ. Для нагрева применяют газовую горелку. Вода для охлаждения поверхности детали подается с помощью душирующего устройства.

Газопламенный нагрев может осуществляться при стационарном положении детали с постепенным перемещением горелки или при стационарном положении горелки со встречным движением детали.

Толщина закаленного слоя в большинстве случаев составляет 2...4 мм, а его твердость для стали с содержанием углерода 0,4...0,45 % составляет 50...56 HRC. Закаленные детали подвергают отпуску в печи при 180...250^оС.

К недостаткам этого способа поверхностной закалки относятся недостаточное регулирование температуры и толщины закаленного слоя, а также возможность перегрева отдельных участков поверхности детали.

Этих недостатков лишена единственная в Украине установка для поверхностного упрочнения прокатных валков диаметром до 1600 мм, которая эксплуатируется на Новокраматорском машиностроительном заводе. Технологический процесс обработки предусматривает предварительный объемный нагрев валков до 400...500^оС. Далее валок передается на установку и подвергается скоростному газопламенному нагреву до 900...950^оС. Толщина нагреваемого поверхностного слоя достигает 150 мм. В процессе нагрева осуществляется контроль температуры поверхности, на основании данных которого происходит автоматическое регулирование интенсивности нагрева в соответствии с разработанной технологией. По окончании нагрева валок передается в специальную водо-воздушную охладительную установку.