Индукционная закалка — это вид поверхностной закалки , при котором металлическая деталь подвергается индукционному нагреву , а затем закаливается . Закаленный металл претерпевает мартенситное превращение , повышающее твердость и хрупкость детали. Индукционная закалка применяется для выборочной закалки участков детали или узла без ущерба для свойств детали в целом. [1]
Индукционный нагрев — это процесс бесконтактного нагрева, в котором используется принцип электромагнитной индукции для производства тепла внутри поверхностного слоя заготовки. Поместив проводящий материал в сильное переменное магнитное поле , можно заставить электрический ток течь в материале, тем самым создавая тепло из-за потерь I 2 R в материале. В магнитных материалах дополнительное тепло выделяется ниже точки Кюри из-за гистерезисных потерь. Генерируемый ток течет преимущественно в поверхностном слое, причем глубина этого слоя определяется частотой переменного поля, поверхностной плотностью мощности, проницаемостью материала , временем нагрева и диаметром стержня или толщиной материала. При закалке этого нагретого слоя в воде, масле или закалке на основе полимера поверхностный слой изменяется с образованием мартенситной структуры, которая тверже основного металла. [2]
Широко используемый процесс поверхностной закалки стали. Компоненты нагреваются с помощью переменного магнитного поля до температуры в пределах или выше диапазона трансформации с последующей немедленной закалкой. Сердцевина детали не подвергается воздействию обработки, ее физические свойства соответствуют свойствам прутка, из которого она была изготовлена, а твердость корпуса может находиться в диапазоне 37/58 HRC . Для этого процесса наиболее подходят углеродистые и легированные стали с эквивалентным содержанием углерода в диапазоне 0,40/0,45%. [1]
Через катушку проходит большой переменный ток, создающий очень интенсивное и быстро меняющееся магнитное поле внутри пространства. Заготовка, подлежащая нагреву, помещается в это переменное магнитное поле, где внутри заготовки генерируются вихревые токи, а сопротивление приводит к джоулевому нагреву металла.
Многие механические детали, такие как валы, шестерни и пружины, после механической обработки подвергаются поверхностной обработке для улучшения характеристик износа. Эффективность этих обработок зависит как от изменения свойств поверхности материалов, так и от введения остаточных напряжений . Среди этих обработок индукционная закалка является одной из наиболее широко используемых для повышения долговечности компонентов. Он определяет в заготовке прочную сердцевину с растягивающими остаточными напряжениями и твердый поверхностный слой с сжимающими напряжениями , которые оказались очень эффективными в увеличении усталостной долговечности и износостойкости детали . [3]
Низколегированные среднеуглеродистые стали с индукционной поверхностной закалкой широко используются в ответственных автомобильных и машиностроительных отраслях, где требуется высокая износостойкость. Износостойкость деталей индукционной закалки зависит от глубины закалки, величины и распределения остаточных сжимающих напряжений в поверхностном слое. [2]
Основу всех систем индукционного нагрева открыл в 1831 году Майкл Фарадей . Фарадей доказал, что, намотав две катушки провода на общий магнитный сердечник, можно создать мгновенную электродвижущую силу во второй обмотке путем включения и выключения электрического тока в первой обмотке. Он также заметил, что если ток поддерживался постоянным, во второй обмотке не индуцировалась ЭДС и что этот ток текла в противоположных направлениях в зависимости от того, увеличивался или уменьшался ток в цепи. [4]
Фарадей пришел к выводу, что электрический ток можно создать с помощью изменяющегося магнитного поля. Поскольку между первичной и вторичной обмотками не было физической связи, считалось, что ЭДС во вторичной катушке индуцируется, и так родился закон индукции Фарадея . После открытия эти принципы использовались в течение следующего столетия или около того при проектировании динамо- машин ( электрических генераторов и электродвигателей , которые являются вариантами одного и того же) и электрических трансформаторов . В этих приложениях любое тепло, выделяемое как в электрических, так и в магнитных цепях, считалось нежелательным. Инженеры пошли на многое и использовали ламинированные сердечники и другие методы, чтобы минимизировать последствия. [4]
В начале прошлого века эти принципы были изучены как средство плавления стали, и был разработан двигатель-генератор, обеспечивающий мощность, необходимую для индукционной печи . После всеобщего признания методики плавки стали инженеры начали исследовать другие возможности использования этого процесса. Уже было понятно, что глубина проникновения тока в сталь зависит от ее магнитной проницаемости, удельного сопротивления и частоты приложенного поля. Инженеры Midvale Steel и Ohio Crankshaft Company использовали эти знания для разработки первых систем индукционного нагрева поверхностной закалки с использованием двигателей-генераторов. [5]
Потребность в быстрых и легко автоматизируемых системах привела к огромному прогрессу в понимании и использовании процесса индукционной закалки, и к концу 1950-х годов многие системы, использующие мотор-генераторы и термоэмиссионные триодные генераторы, регулярно использовались во многих отраслях промышленности. В современных установках индукционного нагрева используются новейшие полупроводниковые технологии и цифровые системы управления, позволяющие развивать мощность от 1 кВт до многих мегаватт .
В одноразовых системах компонент удерживается статически или вращается в змеевике, и вся обрабатываемая область нагревается одновременно в течение заранее установленного времени, после чего следует закалка потоком или закалка каплей. Одиночный выстрел часто используется в тех случаях, когда никакой другой метод не дает желаемого результата, например, при плоской торцевой закалке молотков, кромочной закалке инструментов сложной формы или производстве небольших зубчатых колес. [6]
В случае закалки валов еще одним преимуществом однократной закалки является время производства по сравнению с методами прогрессивной поперечной закалки. Кроме того, возможность использовать катушки, которые могут создавать продольный ток в компоненте, а не диаметральный поток, может быть преимуществом при определенной сложной геометрии.
У одноразового подхода есть недостатки. Проектирование катушки может быть чрезвычайно сложным и трудоемким процессом. Часто требуется использование феррита или ламинированных наполнителей, чтобы повлиять на концентрацию магнитного поля в заданных областях, тем самым улучшая создаваемую тепловую картину. Еще одним недостатком является то, что требуется гораздо больше мощности из-за увеличенной площади нагреваемой поверхности по сравнению с поперечным подходом. [7]
В системах поперечной закалки заготовка постепенно проходит через индукционную катушку , а затем используется закалочный спрей или кольцо. Траверсная закалка широко используется при производстве компонентов вала, таких как полуоси, пальцы ковша экскаваторов, 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 тепловую полосу, которая при закалке создает затвердевший поверхностный слой. Закалочное кольцо может быть либо цельным, либо комбинацией того и другого в зависимости от требований применения. Варьируя скорость и мощность, можно создать вал, закаленный по всей длине или только в определенных участках, а также закалить валы со ступенями по диаметру или шлицами. При закалке круглых валов нормально вращать деталь во время процесса, чтобы исключить любые отклонения, связанные с концентричностью катушки и компонента.
Траверсные методы также используются при производстве кромочных компонентов, таких как ножи для бумаги, кожаные ножи, нижние лезвия газонокосилок и полотна для ножовок. В таких приложениях обычно используется спиральная катушка или катушка с поперечным магнитным потоком, которая располагается над краем компонента. Деталь проходит через змеевик и подвергается последующей закалке распылением, состоящей из сопел или просверленных блоков.
Для обеспечения поступательного движения через катушку используется множество методов, причем используются как вертикальные, так и горизонтальные системы. Обычно они используют цифровой энкодер и программируемый логический контроллер для позиционного управления, переключения, мониторинга и настройки. Во всех случаях скорость перемещения должна тщательно контролироваться и быть постоянной, поскольку изменение скорости будет влиять на глубину закалки и достигнутое значение твердости.
Источники питания для индукционной закалки различаются по мощности от нескольких киловатт до сотен киловатт в зависимости от размера нагреваемой детали и используемого метода производства, то есть однократной закалки, поперечной закалки или закалки погружением.
Чтобы правильно выбрать источник питания, сначала необходимо рассчитать площадь поверхности нагреваемого компонента. Как только это будет установлено, можно использовать различные методы для расчета требуемой плотности мощности, времени нагрева и рабочей частоты генератора. Традиционно это делалось с использованием серии графиков, сложных эмпирических расчетов и опыта. Современные методы обычно используют анализ методом конечных элементов и компьютерные технологии производства, однако, как и в случае со всеми такими методами, по-прежнему требуются глубокие практические знания процесса индукционного нагрева.
Для однократного применения необходимо рассчитать общую обогреваемую площадь. В случае поперечной закалки окружность детали умножается на лицевую ширину рулона. При выборе ширины лицевой поверхности катушки необходимо проявлять осторожность, чтобы было практично изготовить катушку выбранной ширины и чтобы она работала при мощности, необходимой для применения.
Системы индукционного нагрева для закалки доступны с различными рабочими частотами, обычно от 1 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.
Приведенная выше таблица носит исключительно иллюстративный характер. Хорошие результаты можно получить за пределами этих диапазонов, сбалансировав плотность мощности, частоту и другие практические соображения, включая стоимость, которая может повлиять на окончательный выбор, время нагрева и ширину катушки. Помимо плотности мощности и частоты, время нагрева материала будет влиять на глубину, на которую тепло будет течь за счет проводимости. На время нахождения в бухте могут влиять скорость перемещения и ширина бухты, однако это также повлияет на общую потребляемую мощность или производительность оборудования.
Из приведенной выше таблицы видно, что выбор правильного оборудования для любого применения может быть чрезвычайно сложным, поскольку для достижения заданного результата может использоваться более одной комбинации мощности, частоты и скорости. Однако на практике многие варианты выбора очевидны сразу, исходя из предыдущего опыта и практичности.
Этот процесс применим для электропроводящих магнитных материалов, таких как сталь.
Можно обрабатывать длинные детали, такие как оси.