Индукционная закалка — это тип поверхностной закалки , при котором металлическая деталь нагревается индукционным током , а затем закаливается . Закаленный металл претерпевает мартенситное превращение , увеличивая твердость и хрупкость детали. Индукционная закалка используется для выборочной закалки областей детали или узла без влияния на свойства детали в целом. [1]
Индукционный нагрев — это бесконтактный процесс нагрева, который использует принцип электромагнитной индукции для получения тепла внутри поверхностного слоя заготовки. Помещая 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 генерируется ниже точки Кюри из-за потерь на гистерезис . Генерируемый ток течет преимущественно в поверхностном слое, 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, образуя мартенситную структуру, 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 превращения с последующей немедленной закалкой. Сердцевина компонента остается нетронутой обработкой, и ее физические свойства соответствуют свойствам прутка, из которого она была изготовлена, в то время как твердость оболочки может быть в диапазоне 37/58 HRC . Углеродистая и легированная сталь с эквивалентным содержанием углерода в диапазоне 0,40/0,45% наиболее подходит для этого процесса. [1]
Большой переменный ток пропускается через катушку, создавая очень интенсивное и быстро меняющееся магнитное поле в пространстве внутри. Нагреваемая деталь помещается в это переменное магнитное поле, где внутри детали генерируются вихревые токи, а сопротивление приводит к джоулевому нагреву металла.
Многие механические детали, такие как валы, шестерни и пружины, подвергаются поверхностной обработке после обработки с целью улучшения износостойкости. Эффективность этих обработок зависит как от модификации свойств поверхностных материалов, так и от введения остаточного напряжения . Среди этих обработок индукционная закалка является одной из наиболее широко используемых для повышения долговечности компонентов. Она определяет в заготовке прочную сердцевину с остаточными напряжениями растяжения и твердый поверхностный слой с напряжением сжатия , которые оказались очень эффективными для продления усталостной долговечности и износостойкости компонентов . [3]
Индукционно-закаленные низколегированные среднеуглеродистые стали широко используются для критических автомобильных и машинных применений, требующих высокой износостойкости. Износостойкость деталей, подвергнутых индукционной закалке, зависит от глубины закалки, а также величины и распределения остаточного сжимающего напряжения в поверхностном слое. [2]
Основа всех систем индукционного нагрева была открыта в 1831 году Майклом Фарадеем . Фарадей доказал, что, наматывая две катушки проволоки вокруг общего магнитного сердечника, можно создать мгновенную электродвижущую силу во второй обмотке, включая и выключая электрический ток в первой обмотке. Он также заметил, что если ток поддерживается постоянным, то 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 быть получен с помощью изменяющегося магнитного поля. Поскольку не было никакой физической связи между первичной и вторичной обмотками, ЭДС во вторичной катушке считалась индуцированной , 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 в виде электрических трансформаторов . В этих приложениях любое тепло, генерируемое как в электрических, так и в магнитных цепях, считалось нежелательным. Инженеры пошли на многое и использовали ламинированные сердечники и другие методы, чтобы минимизировать эффекты. [4]
В начале прошлого века принципы были исследованы как средство для плавки стали, и был разработан двигатель-генератор для обеспечения мощности, необходимой для индукционной печи . 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 Midvale Steel и The Ohio Crankshaft Company использовали эти знания для разработки первых систем индукционного нагрева для поверхностной закалки с использованием двигателей-генераторов. [5]
Потребность в быстрых, легко автоматизируемых системах привела к значительному 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 в самых разных отраслях промышленности. Современные индукционные нагревательные установки используют новейшие полупроводниковые технологии и цифровые системы управления для разработки диапазона мощностей от 1 кВт до многих мегаватт .
В системах с одним выстрелом компонент удерживается статически или вращается в катушке, а вся обрабатываемая область нагревается одновременно в течение заданного времени, после чего следует либо система закалки потоком, либо система закалки каплей. Система с одним выстрелом часто используется в случаях, когда никакой другой метод не даст желаемого результата, например, для закалки плоской поверхности молотков, закалки кромок инструментов сложной формы или производства небольших шестерен. [6]
В случае закалки вала еще одним преимуществом метода одиночного выстрела является время производства по сравнению с методами прогрессивной траверсной 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 подхода с одним выстрелом есть недостатки. Проектирование катушки может быть чрезвычайно сложным и запутанным процессом. Часто требуется использование ферритовых или ламинированных материалов загрузки для влияния на концентрацию магнитного поля в заданных областях, тем самым улучшая создаваемый тепловой рисунок. Другим недостатком является то, что требуется гораздо больше мощности из-за увеличенной площади нагреваемой поверхности по сравнению с подходом с траверсом. [7]
В системах траверсной закалки заготовка постепенно проходит через индукционную катушку , и используется последующий закалочный спрей или кольцо. Траверсная закалка широко используется при производстве компонентов типа вала, таких как полуоси, пальцы ковшей экскаваторов, компоненты рулевого управления, валы электроинструмента и приводные валы. Компонент подается через индуктор кольцевого типа, который обычно имеет один виток. Ширина витка определяется скоростью траверсы, доступной мощностью и частотой генератора. Это создает движущуюся полосу тепла, которая при закалке создает закаленный поверхностный слой. Закалочное кольцо может быть как интегральным, так и последующим устройством или комбинацией того и другого в зависимости от требований применения. Изменяя скорость и мощность, можно создать вал, который закаляется по всей длине или только в определенных областях, а также закалять валы со ступенями по диаметру или шлицами. При закалке круглых валов обычно вращают деталь во время процесса, чтобы гарантировать, что любые изменения, вызванные концентричностью катушки и компонента, будут удалены.
Методы траверса также используются в производстве краевых компонентов, таких как ножи для бумаги, ножи для кожи, нижние лезвия газонокосилок и ножовочные полотна. Эти типы применения обычно используют катушку с заклепкой или катушку с поперечным потоком, которая располагается над краем компонента. Компонент продвигается через катушку и последующую закалку распылением, состоящую из сопел или просверленных блоков.
Для обеспечения прогрессивного движения через катушку используются многие методы, а также вертикальные 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 твердости и достигаемое значение твердости.
Мощность источников питания для индукционной закалки варьируется от нескольких киловатт до сотен киловатт в зависимости от размера нагреваемой детали и используемого метода производства, т. е. закалка в один прием, поперечная закалка или закалка под флюсом.
Для выбора правильного источника питания сначала необходимо рассчитать площадь поверхности нагреваемого компонента. После того, как это установлено, можно использовать различные методы для расчета требуемой плотности мощности, времени нагрева и рабочей частоты генератора. Традиционно это делалось с помощью серии графиков, сложных эмпирических расчетов и опыта. Современные методы обычно используют анализ конечных элементов и автоматизированные методы производства, однако, как и во всех таких методах, по-прежнему требуются глубокие практические знания процесса индукционного нагрева.
Для приложений с одиночным выстрелом необходимо рассчитать общую площадь, которая должна быть нагрета. В случае траверсной закалки окружность компонента умножается на ширину лицевой стороны катушки. При выборе ширины лицевой стороны катушки следует проявлять осторожность, чтобы было практично построить катушку выбранной ширины и чтобы она работала при мощности, необходимой для приложения.
Системы индукционного нагрева для закалки доступны в различных рабочих частотах, как правило, от 1 кГц до 400 кГц. Доступны более высокие и более низкие частоты, но обычно они используются для специальных применений. Соотношение между рабочей частотой и глубиной проникновения тока и, следовательно, глубиной закалки обратно пропорционально. т.е. чем ниже частота, тем глубже случай.
Приведенная выше таблица является чисто иллюстративной, хорошие результаты могут быть получены за пределами этих диапазонов путем балансировки плотности мощности, частоты и других практических соображений, 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. Время в катушке может зависеть от скорости перемещения и ширины катушки, однако это также будет влиять 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 получения заданного результата можно использовать более одной комбинации мощности, частоты и скорости. Однако на практике многие выборы сразу очевидны на основе предыдущего опыта и практичности.
Процесс применим к электропроводящим магнитным материалам, таким как сталь.
Возможна обработка длинных деталей, таких как оси.