Что такое поверхностная закалка стали? для чего применяется поверхностная закалка?

Индукционный нагрев – характеристики

Степень индукционного нагрева зависит от трех параметров – удельная мощность, время нагревания, частота электротока. Мощность определяет время, потраченное на нагрев детали. Соответственно при большем значении времени затрачивается меньше.

Время нагревания характеризуется общим объемом затраченного тепла и развиваемой температурой. Частота, как было сказано выше, определяет глубину проникновения токов и образованного закаливаемого слоя. Эти характеристики имеют обратную зависимость. При увеличении частоты, снижается объемная масса нагретого металла.

Именно данные 3 параметра позволяют в широком диапазоне регулировать степень твердости и глубину слоя, а также объем нагрева.

Практика показывает, что контролируются характеристики генераторной установки (значения напряжения, мощности и силы тока), а также время нагревания. Степень нагревания детали может контролироваться с помощью пирометра. Однако в основном непрерывный контроль температуры не требуется, т.к. существуют оптимальные режимы нагревания ТВЧ, обеспечивающие стабильное качество. Подходящий режим выбирается с учетом измененных электрических характеристик.

После закалки изделие отправляют в лабораторию на исследование. Изучается твердость, структура, глубина и плоскость распределенного закаливаемого слоя.

Поверхностная закалка ТВЧ сопровождается большим нагревом в сравнении с обычным процессом. Объясняется это следующим образом. В первую очередь, высокая скорость повышения температуры способствует увеличению критических точек. Во вторую, необходимо в короткий срок обеспечить завершение превращения перлита в аустенит.

Высокочастотное закаливание, в сравнении с обычным процессом, сопровождается более высоким нагревом. Однако металл не перегревается. Объясняется это тем, что зернистые элементы в стальной структуре не успевают разрастись за минимальное время. Кроме этого объемная закалка имеет прочность ниже до 2-3 единиц. После закалки ТВЧ деталь обладает большей износостойкостью и твердостью.

Установка для индукционного нагрева ТВЧ

Первая установка индукционного нагрева появилась в 19 веке. Тогда ученым удалось, основываясь на законах Джоуля-Ленца и Фарадея-Максвелла, создать первую плавильную печь, которая могла плавить металл под воздействием токов высокой частоты. Позже нагрев ТВЧ получил более активное распространение и его стали изучать, создавая все новые и новые установки, которые могли бы не только плавить металл при помощи токов высокой частоты, но производили бы и другие виды термообработки, например, закалку ТВЧ, пайку, сварку, ковку, деформацию и т.п. И в ХХ веке удалось получить первые образцы разнообразных установок. Современная установка индукционного нагрева — ТВЧ установка — способна осуществлять практически все виды высокотемпературной обработки металла.

Установка индукционного нагрева – виды обработки

Как уже было упомянуто выше, установка индукционного нагрева с легкостью справится со всеми видами высокотемпературной обработки металлических изделий. Основными задачами, с которыми справляется УИН, являются:

• Пайка ТВЧ. Производиться на предприятиях она стала гораздо чаще с появлением индукционного нагрева, потому что позволяет качественно обработать металл, не нарушая целостности его структуры.
• Плавка металла. Установка индукционного нагрева предназначена для работы со всеми видами металлов. Она отлично справится не только с черными, но и с цветными, и даже с драгоценными металлами.
• Закалка ТВЧ. Чаще всего закалка производится в отношении стальных изделий, которые постоянно подвержены механическому воздействию со стороны внешних факторов. Закалка ТВЧ неоспоримо является качественной и равномерной.
• Ковка, пластика, деформация и т.п. Производятся все эти операции в специальной индукционной установке, которая называется кузнечным нагревателем.
• Термообработка поверхности металла. Чаще всего производится в отношении сварных швов труб для разглаживания остаточного напряжения металла после вмешательства сварочного аппарата в его структуру.

Кроме вышеперечисленных операций установка индукционного нагрева хорошо справится и с другими видами термообработки. Если необходимо нагреть металл, произвести обжиг или отжиг или избавиться от каких-то вредных химических веществ, то установка ТВЧ станет незаменимым помощником.

Установка индукционного нагрева – виды

Установки индукционного нагрева подразделяются на три типа по частоте работе

При выборе частоты работы установки важно обратить внимание — для выполнения каких задач предназначена та или иная установка

1. Среднечастотные установки индукционного нагрева – установки, работающие на наиболее низких частотах. Частота работы данного типа индукционных установок колеблется в пределах 0,5 – 20 КГц.
2. Среднечастотные установки применяются в тех случаях, когда требуется произвести глубокую закалку детали; для пайки массивных изделий, которая также требует глубины проникновения тепла в деталь; для плавки всех видов металлов.
3. Высокочастотные установки индукционного нагрева – это установки, работающие на более высокой частоте, чем среднечастотные, но на меньшей, чем сверхвысокочастотные. Частота работы данного типа индукционных установок 20-40 кГц, а в некоторых случаях доходит и до 30-100 кГц. При этом высокочастотная УИН обладает небольшой глубиной проникновения тепла в металл – не более 3 мм. Высокочастотная индукционная установка является наиболее универсальной, потому что позволяет справляться с большинством операций тепловой обработки металлов.
4. Сверхвысокочастотные установки индукционного нагрева – это установки, обладающие самой высокой частотой работы. Частота работы от 100 кГц. Однако глубина проникновения тепла у СВЧ УИН не более 1 миллиметра. Сверхвысокочастотная установка индукционного нагрева чаще всего применяется для осуществления поверхностной закалки ТВЧ, для нагрева небольших заготовок и для пайки тонких и тонкостенных изделий.

Каждая установка индукционного нагрева имеет свою особенность. Если вы не знаете, как подобрать установку индукционного нагрева для своего предприятия, то подготовьте техзадание, исходя из которого, специалисты компании ЭЛСИТ помогут вам подобрать наиболее подходящее оборудование.

Если заметили ошибку, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter

xn--h1afsf5c.xn--p1ai

Распространенные дефекты, возникающие при термической обработке

Несоблюдение технологии поверхностной закалки приводит к появлению брака. При отсутствии внешних признаков это обнаруживается в процессе проведения испытаний (изделие не выдерживает нагрузки, теряет первоначальную форму, на нем появляются трещины).

Недостаточная твердость

Уровень прочности и ударной вязкости в зоне закалки может не соответствовать заданным при проектировании параметрам, если не соблюдается температурный режим или скорость охлаждения. Это приводит к увеличению хрупкости сплава с одновременным ростом зерна аустенита. Такие конструкции не выдерживают испытаний на излом и требуют повторной закалки.

Уровень прочности в зоне закалки может не соответствовать нужным параметрам.

Мягкие пятна

При неравномерном остывании заготовки, недостаточной очистке поверхности от загрязнений, нарушениях однородности структуры металла возможно образование локализованных участков малой прочности. После повторной термообработки брак устраняется.

Пережог и закалочные трещины

Превышение уровня нагрева до показателей, которые близки к температуре плавления, приводит к интенсивному образованию окислов в межзерновом пространстве. Внутренняя структура стального сплава нарушается, он теряет свои прочностные характеристики. Использовать металл в дальнейшем нельзя.

Трещины возникают при наличии концентраторов напряжения на поверхности (выступов, отверстий, углублений), при превышении сопротивления сплава отрыву уровня внутреннего напряжения растяжения. Их относят к дефектам, которые не поддаются устранению. Чтобы свести к минимуму вероятность появления трещин, рекомендуют проводить закалку при минимально возможных температурах, медленное охлаждение с отпуском.

Коробление и деформация

Причиной брака, который сопровождается изменением формы заготовки, часто становятся структурные и термические напряжения, которые возникают при неоднородном воздействии на металл. Чтобы свести к минимуму вероятность появления таких проблем, на производстве применяют прессы, штампы, позволяющие зажимать изделия на время их охлаждения.

Обезуглероживание и окисление поверхности

Отсутствие контролируемой атмосферы в пламенных или электропечах приводит к возникновению брака. Припуск на механическую обработку деталей при этом увеличивается. Минимизировать такие явления можно, если использовать соляные ванны или задействовать оборудование с искусственной рабочей средой.

Строгое соблюдение технологии поверхностной закалки, учет марки стали и особенностей будущей эксплуатации деталей обеспечивают стабильность их характеристик, длительный срок службы. У каждой из методик есть достоинства, сложности в применении, которые определяют сферу использования. Поэтому при выборе специалисты практикуют индивидуальный подход к решению производственных задач.

Мне нравитсяНе нравится

Особенности эксплуатации индукционного оборудования

ТВЧ установки требуют постоянного ухода и квалифицированного обслуживания. Не верьте поставщикам, которые уверяют вас в том, что ТВЧ установки никогда не ломаются. Это может случиться не раз за весь период эксплуатации, который при грамотном обслуживании может длиться до 10 и более лет. Интенсивная эксплуатация в цехе с воздухом загрязненным парами металла, масел, кислот и пылью, возможна в течение 4–6 лет. За это время оборудование должно многократно окупиться. По отзывам большинства наших клиентов, индукционное оборудование окупается максимум за полгода.

Поставщики, продающие «Вечное оборудование европейского качества по бросовой цене» обманывают вас. При таких словах вы должны услышать следующее: «Это ТВЧ установки гаражной сборки и у нас некому их ремонтировать»!

Китайские производители не ремонтируют индукционное оборудование в России и СНГ. Оборудование должен обслуживать и ремонтировать российский поставщик.

Необходимость поверхностной закалки и отпуска

Поверхностная закалка деталей делается для достижения лучших характеристик наружного слоя, а в сердцевине металл остается вязким и пластичным. Таким образом удается изменить физико-механические свойства металла.

Чтобы уменьшить хрупкость и остаточные напряжения, металл затем подвергают отпуску, после чего его твердость несколько снижается, а свойства становятся более стабильными.

Температура закалки поверхности стали составляет 820-900 0С. Ее можно различать по цвету.

Для получения необходимой глубины термической обработки после быстрого разогрева поверхность детали охлаждают воздухом или водой.

Способы охлаждения при закаливании

Широко используемые в промышленности способы охлаждения металла при закалке на воду и в масле. Самый древний состав для закалки мечей и других тонкостенных предметов — соляной раствор. Закалку производили кузнецы, используя нагрев под ковку и тепло, выделяемое деформацией.

Красные сабли, мечи, ножи опускали в мочу рыжих парней. В Европе их просто вонзали в тела живых рабов. Коллоидный состав, содержащий соли и кислоты, позволял с оптимальной скоростью охладить сталь и не создавать лишних напряжений и поводки.

В настоящее время используют различные солевые натриевые растворы, селитру и даже пластиковую стружку.

Технологические нюансы закалки

Закалка, которая является одним из типов термической обработки металлов, выполняется в два этапа. Сначала металл нагревают до высокой температуры, а затем охлаждают. Различные металлы и даже стали, относящиеся к разным категориям, отличаются друг от друга своей структурой, поэтому режимы выполнения термической обработки у них не совпадают.

Режимы термообработки некоторых цветных сплавов

Термическая обработка металла (закалка, отпуск и др.) может потребоваться для:

• его упрочнения и повышения твердости;
• улучшения его пластичности, что необходимо при обработке методом пластической деформации.

Если вы решили закалить металл своими силами, очень важно правильно осуществлять такую процедуру, как нагрев. Этот процесс не должен сопровождаться появлением на поверхности изделия черных или синих пятен

О том, что нагрев происходит правильно, свидетельствует ярко-красный цвет металла. Хорошо демонстрирует данный процесс видео, которое поможет вам получить представление о том, до какой степени нагревать металл, подвергаемый термической обработке.

В качестве источника тепла для нагрева до требуемой температуры металлического изделия, которое требуется закалить, можно использовать:

• специальную печь, работающую на электричестве;
• паяльную лампу;
• открытый костер, который можно развести во дворе своего дома или на даче.

Закалка ножа на открытых углях

Выбор источника тепла зависит от того, до какой температуры надо нагреть металл, подвергаемый термической обработке.

Выбор метода охлаждения зависит не только от материала, но также от того, каких результатов нужно добиться. Если, например, закалить надо не все изделие, а только его отдельный участок, то охлаждение также осуществляется точечно, для чего может использоваться струя холодной воды.

Быстрое охлаждение, для которого используется охладитель одного типа, оптимально подходит для того, чтобы закаливать стали, относящиеся к категории углеродистых или легированных. Для выполнения такого охлаждения нужна одна емкость, в качестве которой может использоваться ведро, бочка или даже обычная ванна (все зависит от габаритов обрабатываемого предмета).

Охлаждение заготовки ножа в масле

В том случае, если закалить надо стали других категорий или если кроме закалки требуется выполнить отпуск, применяется двухступенчатая схема охлаждения. При такой схеме нагретое до требуемой температуры изделие сначала охлаждают водой, а затем помещают в минеральное или синтетическое масло, в котором и происходит дальнейшее охлаждение. Ни в коем случае нельзя использовать сразу масляную охлаждающую среду, так как масло может воспламениться.

Для того чтобы правильно подобрать режимы закалки различных марок сталей, следует ориентироваться на специальные таблицы.

Режимы термообработки быстрорежущих сталей

Режимы термической обработки легированных инструментальных сталей

Режимы термической обработки углеродистых инструментальных сталей

Модель цвета в ТВЧ

В телевидении параметры цвета количественно описываются с помощью цветовой модели RGB (по первым буквам английских названий базовых цветов этой модели — Red (красный), Green (зеленый), Blue (синий). Модель основана на том, что при цветовосприятии человеческим глазом непосредственно воспринимаются три цвета — красный, зеленый, синий. Смешав три базовых цвета в разных пропорциях, можно получить все многообразие оттенков. Цветовые компоненты иначе называются каналами. RGB — трехканальная цветовая модель.

Эта модель представляется в виде трехмерной системы координат. Каждая координата отражает вклад каждой составляющей в результирующий цвет в диапазоне от нуля до максимального значения. Внутри полученного куба и «находятся» все цвета, образуя цветовое пространство (рис. 4).

Рис. 4.

Цветовое пространство RGB

Важно отметить особенные точки и линии этой модели

• Начало координат: в этой точке все составляющие равны нулю, излучение отсутствует (черный цвет);
• Точка, ближайшая к зрителю: в этой точке все составляющие имеют максимальное значение (белый цвет).
• На линии, соединяющей данные точки (по диагонали), располагаются серые оттенки: от черного до белого (серая шкала). Это происходит потому, что все три составляющих одинаковы и располагаются в диапазоне от нуля до максимального значения;
• Три вершины куба дают чистые исходные цвета, остальные три отражают двойные смешения исходных цветов.

Диапазон цветов, который может быть воспроизведен, зафиксирован или описан каким-либо способом, называется цветовым охватом

(gamut) илицветовым пространством .

В телевизионных стандартах SDTV используется цветовое пространство YUV (рис. 5), где Y — это сигнал яркости, а U и V — цветоразностные сигналы, причем в монохромном, «черно-белом» телевидении используется только информация о яркости, а цветоразностные сигналы игнорируются.

Рис. 5.Цветовое пространство YUV

Рис. 6.Цветовое пространство YCbCr

Пересчет цветов из модели RGB в модель YUV выполняется по следующим формулам:

Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B; U = – 0,147R – 0,289G + 0,436B = 0,492 (B – Y); V = 0,615R – 0,515G – 0,100B = 0,877 (R – Y).

Для ТВЧ было разработано цветовое пространство YCbCr (рис. 6), которое является вариантом цветового пространства YUV.

Пересчет цветов из модели RGB в модель YCbCr выполняется по следующим формулам:

Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B; Cb = – 0,172R – 0,339G + 0,511B + 128; Cr = 0,511R – 0,428G – 0,083B + 128.

Взаимосвязь пространств RGB и YCbCr показана на рис. 7.

Из приведенных формул видно, что в HDTV при пересчете цветового пространства RGB используются существенно иные коэффициенты уравнений, поэтому просмотр изображений ТВЧ на мониторах с обычной колориметрией приводит к заметным искажениям цветопередачи.

Для достижения хорошего качества требуется применение специальных преобразователей цветового охвата.

Рис. 7.

Связь пространств RGB и YCbCr

Как работает индукционный нагреватель?

Для реализации процесса индукционного нагрева используется известный физический принцип, когда для деформирования в горячем состоянии заготовку размещают в магнитном поле кольцеобразного индуктора. Питание такой катушки производится электрическим переменным током частоты, резко выше, чем обычная (50 или 60 Гц).

Принцип работы индукционного нагревателя следующий. Создаваемые в электромагнитном поле вихревые токи (у них есть и другое название – токи Фуко) производят нагрев металла

Непосредственное соприкосновение заготовки и нагревательного элемента не обязательно, важно только, чтобы индуктор равномерно охватывал нагреваемую поверхность металла. Используя трансформатор, установка подключается к генератору, который обеспечивает требующиеся значения мощности и частоты

Индукционным нагревом можно обеспечить сравнительно быстрое повышение температуры поверхностных слоёв. В частности, для нагревания прутковой заготовки сечением 35…40 мм и длиной 140….150 мм потребуется около 20…25 с.

Примерные диапазоны соответствия наилучшей частоты тока и поперечного сечения круглого прутка приведены в таблице.

Диаметр, мм	20…40	40…60	60…80	80…100	100…120
Частота, кГц	100…40	40…10	10…4	4…1	1…0,5

Для полосового металла применять индукционный нагрев менее выгодно, чем для круглого прутка, поскольку расстояние между внутренним диаметром катушки и металлом непостоянно.

Обычно применяется частота от 10 кГц, тогда КПД индукционного нагревателя достигает максимума. Частота регулируется в зависимости от:

• требуемой производительности нагрева;
• температуры нагреваемого металла;
• размеров поперечного сечения.

Конструкции промышленных индукторов снабжаются устройствами для автоматической загрузки-выгрузки нагретых заготовок. Это необходимо потому, чтобы интервал между нагревом и пластическим деформированием металла был минимальным.

Время нагрева стальных заготовок невелико: для сечения 20 мм оно составляет всего 10 с, поэтому потери металла в окалину незначительны.

Классификация каления стали

Виды закалки сталей классифицируют по типу источника нагрева и способу охлаждения металла. Основным оборудованием для нагрева деталей перед закаливанием по-прежнему являются муфельные печи, в которых можно равномерно разогревать металлические изделия любых размеров. Высокую скорость нагрева при поточной обработке изделий обеспечивает закалка с применением токов высокой частоты (индукционная закалка сталей) (см. фото ниже). Для закаливания верхних слоев стальных изделий применяют довольно недорогую и эффективную газопламенную закалку, главный недостаток которой — невозможность точно задать глубину прогрева. Этих недостатков лишена лазерная закалка, но ее возможности ограничены небольшой мощностью источника излучения. Способы охлаждения закаливаемой детали обычно классифицируют по виду охлаждающей среды, а также совокупностям и циклам рабочих операций. Некоторые из них включают процедуры отпуска, а для других, таких как разные виды изотермической закалки, он не нужен.

Закаливание в одной среде

При таком способе закалки нагретое до заданной температуры изделие из стали помещают в жидкость, где она остается до полного остывания. В качестве закалочной среды для углеродистых сталей используют воду, а для легированных — минеральное масло. Недостаток этого метода заключается в том, что после такого закаливания в металле сохраняются значительные напряжения, поэтому в ряде случаев может потребоваться дополнительная термообработка (отпуск).

Ступенчатая закалка

Ступенчатое закаливание проходит в два этапа. На первом изделие помещается в среду с температурой, превышающей на несколько десятков градусов точку начала возникновения мартенсита. После того, как температура выравнивается по всему объему металла, деталь медленно охлаждается, в результате чего в нем равномерно формируется мартенситная структура.

Изотермическая закалка

При изотермическом закаливании изделие также выдерживается в закалочной ванне при температуре, превышающей точку мартенсита, но несколько дольше. В результате этого аустенит трансформируется в бейнит — одну из разновидностей троостита. Такая сталь сочетает в себе повышенную прочность с пластичностью и вязкостью. Кроме того, после изотермической закалки в изделии снижаются остаточные напряжения.

Закалка с самоотпуском

Этот вид термообработки используется для закаливания ударного инструмента, который должен обладать твердым поверхностным слоем и вязкой серединой. Его особенность заключается в том, что изделие извлекается из закалочной емкости при неполном охлаждении. В этом случае его внутренняя часть еще содержит достаточное количество тепла, чтобы прогреть весь объем металла до температуры отпуска. Так как повторный нагрев изделия осуществляется без внешнего воздействия за счет внутренней тепловой энергии, такой вид термической обработки называют закалкой с самоотпуском.

Светлая закалка

Светлая закалка применяется для стальных изделий, поверхности которых при термообработке не должны подвергаться окислению. При такой термообработке сталь нагревается в вакуумных печах (см. фото ниже) или в инертных газовых средах (азот, аргон и пр.), а охлаждается в неокисляющих жидкостях или расплавах. Этим способом закаливают изделия, которые не должны подвергаться дальнейшей шлифовке, а также детали, критичные к содержанию углерода в поверхностном слое.

Выбор температуры для закалки

Решение, при какой температуре производить закалку металла обусловлено химическим составом стали.

Закалка бывает двух видов:

• полная;
• неполная.

Руководствуясь диаграммой критических точек можно видеть, что доэвтектоидную сталь при процессе полного закаливания следует нагревать выше точки Ас3 на 30–50 градусов. В результате у стали будет структура однородного аустенита. Впоследствии под действием процесса охлаждения он превратится мартенсит.

Рисунок №1. Критические точки.

Неполное закаливание чаще применяется для инструментальной стали. Цель неполного закаливания — достигнуть температуры, при которой проходит процесс образования избыточных фаз. Нагревание стали происходит в температурном промежутке от Ас1 — Ас2. При этом в структуре мартенсита сохранится какое-то количество феррита, оставшегося после закаливания стали.

Для закаливания заэвтектоидной стали лучше придерживаться температуры на 20–30 градусов больше Ас1 — неполная закалка. Из-за этого при нагревании и охлаждении будет сохраняться цементит, что повышает твердость мартенсита. При закалке не следует нагревать заэвтектоидную сталь свыше положенной температуры. Это может сказаться на твердости.

Достоинства и недостатки

Закалка деталей с помощью ТВЧ обладает как достоинствами, так и недостатками. К достоинствам можно отнести следующее:

• После закалки ТВЧ у детали сохраняется мягкой середина, что существенно повышает ее сопротивление пластической деформации.
• Экономичность процесса закалки деталей ТВЧ связана с тем, что нагревается только поверхность или зона, которую необходимо закалить, а не вся деталь.
• При серийном производстве деталей необходимо настроить процесс и далее он будет автоматически повторяться, обеспечивая необходимое качество закалки.
• Возможность точно рассчитать и регулировать глубину закаленного слоя.
• Непрерывно-последовательный метод закалки позволяет использовать оборудование малой мощности.
• Малое время нагрева и выдержки при высокой температуре способствует отсутствию окисления обезуглероживания верхнего слоя и образования окалины на поверхности детали.
• Быстрый нагрев и охлаждение не дают большого коробления и поводок, что позволяет уменьшить припуск на чистовую обработку.

https://youtube.com/watch?v=IjuKarv04Ec

Но индукционные установки экономически целесообразно применять только при серийном производстве, а для единичного производства покупка или изготовление индуктора невыгодно. Для некоторых деталей сложной формы производство индукционной установки очень сложно или невозможно получить равномерность закаленного слоя. В таких случаях применяют другие виды поверхностных закалок, например, газопламенную или объемную закалку.

ТРАНЗИСТОРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ТГИ

Транзисторные генераторы ТГИ серийно выпускаются ООО «ИНТЕРМ» для питания индукционных установок мощностью до 160 кВт и выше в частотном диапазоне от 10 до 500 кГц.

Преимущества ТГИ:

• Высокий КПД – 96%
• Низкий расход охлаждающей воды – 0.1 л/мин на 1кВт
• Импульсные режимы
• Высокий уровень автоматизации, дружественный интерфейс
• Контроль и регулирование температуры нагрева
• Протоколирование процессов нагрева
• Защита и диагностика по многим параметрам

Номенклатура и общие технические характеристики выпускаемой ООО «ИНТЕРМ» серии транзисторных генераторов ТГИ приведены в разделе «ТРАНЗИСТОРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ»