Индукционная закалка - Induction hardening

Индукционная закалка это тип поверхностное упрочнение в котором металлическая деталь с индукционным нагревом а потом закаленный. Закаленный металл подвергается мартенситное превращение, увеличивая твердость и хрупкость детали. Индукционная закалка используется для выборочного упрочнения участков детали или сборки, не влияя на свойства детали в целом.^[1]

Процесс

Индукционный нагрев - это процесс бесконтактного нагрева, в котором используется принцип электромагнитный индукция для производства тепла внутри поверхностного слоя заготовки. Поместив проводящий материал в сильное чередование магнитное поле, электрический ток может протекать в материале, тем самым создавая тепло из-за I²R потери в материале. В магнитных материалах дополнительное тепло выделяется ниже точка Кюри из-за гистерезис убытки. Генерируемый ток протекает преимущественно в поверхностном слое, причем глубина этого слоя определяется частотой переменного поля, поверхностной плотностью мощности, проницаемость материала, времени нагрева и диаметра стержня или толщины материала. К закалка этот нагретый слой в воде, масле или полимер на основе закалки поверхностный слой изменяется, чтобы сформировать мартенситный структура, которая тверже основного металла.^[2]

Определение

Широко используемый процесс для поверхностное упрочнение стали. Компоненты нагреваются с помощью переменного магнитного поля до температуры в пределах или выше диапазона превращения с последующей немедленной закалкой. Сердцевина компонента не подвергается воздействию обработки, и его физические свойства аналогичны свойствам прутка, из которого он был изготовлен, в то время как твердость корпуса может находиться в диапазоне 37/58. HRC. Углерод и легированных сталей с эквивалентное содержание углерода в диапазоне 0,40 / 0,45% наиболее подходят для этого процесса.^[1]

Через катушку пропускается большой переменный ток, создавая очень интенсивное и быстро меняющееся магнитное поле в пространстве внутри. Обогреваемая деталь помещается в это переменное магнитное поле, в котором внутри детали возникают вихревые токи, а сопротивление приводит к Джоулевое нагревание металла.

Многие механические детали, такие как валы, шестерни и пружины, после обработки подвергаются поверхностной обработке, чтобы улучшить их износостойкость. Эффективность этих обработок зависит как от модификации свойств материалов поверхности, так и от введения остаточный стресс. Среди этих обработок индукционная закалка - одна из наиболее широко используемых для улучшения качества компонентов. долговечность. Он определяет в заготовке прочный сердечник с растягивающими остаточными напряжениями и твердый поверхностный слой с сжимающее напряжение, которые оказались очень эффективными в расширении компонента усталость жизнь и износостойкость.^[3]

Низколегированные среднеуглеродистые стали с индукционной поверхностной закалкой широко используются в автомобилях и машиностроении, требующих высокой износостойкости. Износостойкость деталей после индукционной закалки зависит от глубины закалки, а также от величины и распределения остаточного напряжения сжатия в поверхностном слое.^[2]

История

Основа всех систем индукционного нагрева была открыта в 1831 г. Майкл Фарадей. Фарадей доказал, что, намотав две катушки проволоки вокруг общего магнитного сердечника, можно создать мгновенное электродвижущая сила во второй обмотке переключением электрический ток в первой обмотке и выключении. Он также заметил, что если ток поддерживается постоянным, во второй обмотке не индуцируется ЭДС, и что этот ток течет в противоположных направлениях, в зависимости от того, увеличивается или уменьшается ток в цепи.^[4]

Фарадей пришел к выводу, что электрический ток может создаваться изменяющимся магнитным полем. Поскольку не было физического соединения между первичной и вторичной обмотками, ЭДС во вторичной катушке считалась равной индуцированный и так Закон индукции Фарадея родился. После открытия эти принципы использовались в течение следующего столетия или около того при разработке динамо-машины (электрические генераторы и электродвигатели, которые являются вариантами одного и того же) и в виде электрических трансформаторы. В этих приложениях любое тепло, выделяемое в электрических или магнитных цепях, считалось нежелательным. Инженеры пошли на многое и использовали ламинированный сердечники и другие методы минимизации последствий.^[4]

В начале прошлого века эти принципы были исследованы как средство плавления стали, и был разработан двигатель-генератор, обеспечивающий мощность, необходимую для индукционная печь. После всеобщего принятия методологии плавки стали инженеры начали изучать другие возможности использования этого процесса. Уже было понятно, что глубина проникновения тока в сталь является функцией ее магнитной проницаемости, удельного сопротивления и частоты приложенного поля. Инженеры на Midvale Steel и компания Ohio Crankshaft использовала эти знания для разработки первых систем индукционного нагрева с упрочнением поверхности с использованием двигателей-генераторов.^[5]

Потребность в быстрых, легко автоматизированных системах привела к значительному прогрессу в понимании и использовании процесса индукционной закалки, и к концу 1950-х годов многие системы использовали двигатели-генераторы и термоэлектронная эмиссия триод генераторы регулярно использовались во многих отраслях промышленности. В современных установках индукционного нагрева используются новейшие полупроводниковые технологии и цифровые системы управления, позволяющие развивать диапазон мощности от 1 кВт до многих мегаватты.

Основные методы

Закалка за один выстрел

В однокомпонентных системах компонент удерживается статически или вращается в змеевике, и вся обрабатываемая площадь одновременно нагревается в течение заданного времени, после чего следует либо закалка потоком, либо система закалки каплей. Одиночный выстрел часто используется в тех случаях, когда никакой другой метод не позволяет достичь желаемого результата, например, при упрочнении плоской поверхности молотков, упрочнении кромок инструментов сложной формы или производстве малых шестерен.^[6]

В случае упрочнения вала дополнительным преимуществом однократной закалки является время производства по сравнению с методами постепенной поперечной закалки. Кроме того, возможность использования катушек, которые могут создавать продольный ток в компоненте, а не диаметральный поток, может быть преимуществом при определенной сложной геометрии.

У метода одиночного выстрела есть недостатки. Конструкция змеевика может быть чрезвычайно сложным и трудоемким процессом. Часто использование феррит или требуются слоистые загрузочные материалы, чтобы влиять на концентрации магнитного поля в заданных областях, тем самым улучшая получаемый тепловой узор. Другой недостаток заключается в том, что требуется гораздо больше мощности из-за увеличенной площади нагреваемой поверхности по сравнению с подходом с поперечным расположением.^[7]

Поперечное упрочнение

В системах поперечной закалки заготовка проходит через индукционная катушка постепенно, и используют следующий охлаждающий спрей или кольцо. Упрочнение траверсы широко используется при производстве таких компонентов вала, как полуоси, пальцы ковша экскаватора, компоненты рулевого управления, валы электроинструментов и приводные валы. Компонент подается через индуктор кольцевого типа, который обычно имеет один виток. Ширина поворота определяется скоростью траверсы, доступной мощностью и частотой генератора. Это создает движущуюся полосу нагрева, которая при закалке создает твердый поверхностный слой. Закалочное кольцо может быть либо составной частью следующей конструкции, либо их комбинацией в зависимости от требований применения. Изменяя скорость и мощность, можно создать вал, закаленный по всей длине или только в определенных областях, а также закалку валов со ступеньками по диаметру или шлицами. При закалке круглых валов нормально вращать деталь во время процесса, чтобы гарантировать любые отклонения из-за концентричность катушки и компонента удаляются.

Методы поперечного перемещения также используются при производстве кромочных элементов, таких как ножи для бумаги, ножи для кожи, нижние лезвия газонокосилок и ножовочные полотна. В этих типах применений обычно используется шпилька или катушка поперечного потока, которая находится над краем компонента. Компонент продвигается через змеевик и последующую закалку распылением, состоящую из сопел или просверленных блоков.

Для обеспечения поступательного движения через катушку используются многие методы, и используются как вертикальные, так и горизонтальные системы. Они обычно используют цифровой кодировщик и Программируемый логический контроллер для позиционного управления, переключения, контроля и настройки. Во всех случаях необходимо тщательно контролировать и согласовывать скорость перемещения, поскольку изменение скорости будет влиять на глубину твердости и достигаемое значение твердости.

Оборудование

Требуемая мощность

Источники питания для индукционной закалки различаются по мощности от нескольких киловатт до сотен киловатт в зависимости от размера нагреваемого компонента и используемого метода производства, то есть однократной закалки, поперечной закалки или закалки под флюсом.

Чтобы выбрать правильный источник питания, сначала необходимо рассчитать площадь поверхности нагреваемого компонента. Как только это будет установлено, можно использовать различные методы для расчета необходимой плотности мощности, времени нагрева и рабочей частоты генератора. Традиционно это делалось с помощью серии графиков, сложных эмпирический расчеты и опыт. Современные методы обычно используют анализ методом конечных элементов и Автоматическое производство методы, однако, как и в случае со всеми такими методами, все еще требуется доскональное знание процесса индукционного нагрева.

Для одноразовых применений необходимо рассчитать общую обогреваемую площадь. В случае упрочнения поперечным сечением длина окружности детали умножается на ширину лицевой поверхности бухты. При выборе ширины лицевой поверхности катушки необходимо проявлять осторожность, чтобы было практично построить катушку выбранной ширины и чтобы она работала с мощностью, необходимой для применения.

Частота

Имеются системы индукционного нагрева для закалки с различными рабочими частотами, обычно от 1 кГц до 400 кГц. Доступны более высокие и более низкие частоты, но обычно они используются для специализированных приложений. Зависимость между рабочей частотой и глубиной проникновения тока и, следовательно, глубиной твердости обратно пропорциональна. т.е. чем ниже частота, тем глубже корпус.

Примеры частот для различной глубины корпуса и диаметра материала
Глубина корпуса [мм]	Диаметр стержня [мм]	Частота [кГц]
0,8 до 1,5	От 5 до 25	От 200 до 400
От 1,5 до 3,0	От 10 до 50	От 10 до 100
От 1,5 до 3,0	>50	От 3 до 10
От 3,0 до 10,0	От 20 до 50	От 3 до 10
	От 50 до 100	1 к 3
	>100	1

Приведенная выше таблица является чисто иллюстративной, хорошие результаты могут быть получены за пределами этих диапазонов путем балансировки плотностей мощности, частоты и других практических соображений, включая стоимость, которая может повлиять на окончательный выбор, время нагрева и ширину катушки. Так же, как плотность мощности и частота, время нагрева материала будет влиять на глубину, на которую тепло будет течь за счет теплопроводности. Время в катушке может зависеть от скорости перемещения и ширины катушки, однако это также будет влиять на общую потребляемую мощность или пропускную способность оборудования.

Из приведенной выше таблицы видно, что выбор подходящего оборудования для любого применения может быть чрезвычайно сложным, поскольку для получения определенного результата можно использовать более одной комбинации мощности, частоты и скорости. Однако на практике многие варианты выбора становятся очевидными, исходя из предыдущего опыта и практичности.

Преимущества

быстрый процесс, время выдержки не требуется, следовательно, большая производительность
без образования накипи или обезуглероживания
больше глубина корпуса до 8 мм
селективное упрочнение
высокая износостойкость и усталостная стойкость

Приложения

Процесс применим для электропроводящих магнитных материалов, таких как сталь.

Можно обрабатывать длинные заготовки, такие как оси.

Смотрите также

внешняя ссылка

[rudnev39-1] а ^б Руднев и др. 2002 г., п. 39

[rudnev58-2] а ^б Руднев и др. 2002 г., п. 58

[3] Руднев и др. 2002 г., п. 59

[rudnev1-4] а ^б Руднев и др. 2002 г., п. 1

[5] Руднев и др. 2002 г., п. 2

[6] Руднев и др. 2002 г., п. 249

[7] Руднев и др. 2002 г., п. 250

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]