Индукционная закалка стали

Индукционная закалка – применение, физический процесс, виды и способы закалки

В этой статье речь пойдет об индукционной закалке — одном из видов термической обработки металлов, обеспечивающем возможность протекания фазовых превращений, то есть превращение перлита в аустенит. Стальные детали, благодаря индукционной закалке, приобретают более высокие механические свойства, ибо качество стали значительно повышается вследствие такой обработки.

Итак, для термической обработки металлов, с целью их поверхностной закалки, применяют индукционный нагрев . Технология позволяет выбрать различную глубину закаленного слоя, к тому же процесс легко автоматизируется, поэтому данный метод относится к прогрессивным. Возможна закалка деталей различной формы.

Поверхностная индукционная закалка бывает двух видов: поверхностная и объемно-поверхностная.

Поверхностная закалка при поверхностном нагреве приводит к прогреванию детали до температуры закалки на глубину закаленного слоя, а сердцевина остается нетронутой. Время нагрева составляет от 1,5 до 20 секунд, скорость нагрева — от 30 до 300 °С за секунду.

Для объемно-поверхностной закалки характерен прогрев слоя большего, чем слой с мартенситной структурой, это глубинный нагрев. Сталь прокаливается на меньшую глубину, чем толщина нагретого слоя, что определяется прокаливаемостью стали.

В глубоких участках, глубже мартенситной структуры, которые прогреваются до температуры закалки, формируются упрочненные зоны со структурой сорбита или троостита закалки. Время закалки увеличивается до 20-100 секунд, скорость прогрева снижается до 2-10 °С за секунду по сравнению с поверхностной закалкой.

Объемно-поверхностной закалке подвергают тяжелонагнуженные оси, шестерни, крестовины и т. п. Главное отличие индукционного нагрева от других способов нагрева — выделение тепла непосредственно внутри объема детали.

Принципиально процесс происходит следующим образом. В индуктор, который питается переменным током, помещают закаливаемую деталь. Переменное магнитное поле наводит ЭДС в поверхностном слое детали, возникают вихревые токи, нагревающие деталь. Те участки, на которые действует переменное магнитное поле, нагреваются до высокой температуры.

Скорость нагрева высока, и имеется возможность для местного нагрева. Плотность тока больше у поверхности детали вследствие поверхностного эффекта, поэтому возможен нагрев лишь на требуемую глубину. Сердцевина нагревается незначительно. 87% мощности, передаваемой вихревыми токами детали, приходится на глубину проникновения.

Так как при разной температуре металла глубина проникновения тока различна, процесс протекает в несколько стадий. В первую очередь быстро прогревается поверхностный слой холодного металла, затем нагревается слой глубже, причем первый слой дальше не нагревается так быстро, затем прогревается третий слой.

В процессе нагрева каждого из слоев, скорость прогрева каждого слоя снижается с потерей соответствующим слоем магнитных свойств. То есть тепло распространяется в связи с изменением магнитных свойств металла от слоя к слою. Это активный нагрев током, он длится буквально секунды.

Индукционный нагрев, по распределению температуры в сечении детали, отличается от нагрева путем теплопроводности. В пределах нагретого слоя температура значительно выше, чем в центре, имеете место крутой перепад, поскольку в центральной части детали магнитные свойства еще не теряются в то время, как снаружи активный ток уже перегрел металл. Варьируя частоту тока и длительность нагрева, добиваются прогрева детали на необходимую глубину.

Конструкция индуктора, как правило, определяет качество закалки детали. Индуктор изготавливается из медных трубок, по которым пропускается вода с целью его охлаждения. Между индуктором и деталью выдерживается определенное расстояние, измеряемое единицами миллиметров, и одинаковое со всех сторон.

Закалку осуществляют различными путями, в зависимости от формы и размеров детали, а также от требований к закалке. Небольшие детали сначала нагревают, затем охлаждают. При душевом охлаждении, через отверстия в индукторе подается закалочная среда, например вода. Если деталь длинная, то индуктор перемещается в процессе закалки вдоль нее, а вода подается через душевые отверстия вслед за его движением. Это непрерывно-последовательный способ закалки.

При непрерывно-последовательной закалке индуктор движется со скоростью от 3 до 30 мм в секунду, и участки детали попадают поочередно в его магнитное поле. В итоге деталь последовательно, участок за участком, нагревается и охлаждается. Так можно закалить и отдельные части детали, если потребуется, например шейки коленвала или зубцы крупного зубчатого колеса. Средства автоматизации позволяют выставить деталь ровно и перемещать индуктор с высокой точностью.

В зависимости от марки стали и режима ее предварительной обработки, свойства после закалки получаются разными. Режимы индукционного нагрева, охлаждения и низкого отпуска также влияют на результаты.

В отличие от обычной закалки, индукционная закалка делает сталь более твердой 1-2 HRC, прочной, меньше снижается вязкость, повышается предел выносливости. Это связано с измельчением аустенитных зерен.

Высокая скорость нагрева приводит к росту центров перлито-аустенитного превращения. Начальное зерно аустенита получается мелким, роста не происходит из-за высокой скорости нагрева и отсутствия выдержки.

Кристаллы мартенсита получаются меньше. Зерно аустенита оказывается 12-15 баллов. При применении сталей мало склонных к росту аустенитных зерен, получается мелкое зерно. Детали обладающие малодисперсной исходной структурой получаются более качественными в итоге.

В результате распределения остаточных напряжений повышается предел выносливости. Остаточные напряжения сжатия присутствуют в закаленном слое, а напряжения растяжения — за его пределами. Усталостные разрушения связаны с растягивающими напряжениями. Напряжения сжатия будут ослаблять разрушительные растягивающие под действием внешних сил при работе детали. Вот почему в результате индукционной закалки повышается предел выносливости.

Определяющее значение при индукционной закалке имеют: скорость нагрева, скорость охлаждения, режим низкотемпературного отпуска.

Поверхностная закалка сталей

Многие изделия должны иметь высокую поверхностную твердость, высокую прочность поверхностного слоя и вязкую сердце- вину. Такое сочетание свойств на поверхности и внутри изделия достигается поверхностной закалкой. Для поверхностной закалки стального изделия необходимо нагреть до температур аустенитной области только поверхностный слой заданной толщины. Этот нагрев должен совершаться быстро, чтобы сердцевина вследствие теплопроводности также не прогрелась до закалочных температур. Разновидности поверхностной закалки различаются способами нагрева.

Закалка с индукционным нагревом.

Как известно, с увеличением частоты переменного тока возрастает неравномерность распределения его по сечению проводника. При высоких частотах можно считать, что ток практически идет лишь в тонком поверхностном слое. На использовании этого поверхностного эффекта основан индукционный высокочастотный нагрев для поверхностной закалки.

Изделие помещают в индуктор с током высокой частоты. Для конструкционных сталей можно принять, что выше точки Кюри глубина проникновения тока, мм:

где/ — частота тока, Гц. В слое этой толщины выделяется примерно 87 % всей тепловой энергии. Следовательно, глубина проникновения тока уменьшается с увеличением его частоты. После нагрева в индукторе на разогретую поверхность из спрейера выбрызгивается закалочная жидкость (спрейером может служить сам индуктор в виде полой трубки с отверстиями).

Скорость высокочастотного индукционного нагрева может доходить до 300. 500 К/с, что на 2—4 порядка больше скорости обычного печного нагрева. Высокая скорость индукционного нагрева обусловливает важные особенности фазовых превращений и получающейся структуры.

С повышением скорости нагрева фазовые превращения смещаются в область более высоких температур. К этому следует добавить, что в доэвтектоидных сталях повышение температуры при индукционном нагреве как бы обгоняет диффузию углерода, в результате чего избыточный феррит превращается в малоуглеродистый аустенит. Следовательно, температура высокочастотной закалки должна быть выше температуры закалки при обычном печном нагреве, и тем выше, чем больше скорость нагрева и грубее выделения избыточного феррита.

Высокочастотной закалке желательно подвергать сталь с измельченной исходной структурой, для чего можно использовать нормализацию, а в отдельных случаях и улучшение, т.е. обычную сквозную закалку с высоким отпуском на сорбит.

С увеличением степени перегрева скорость зарождения центров аустенита растет быстрее линейной скорости их роста. Поэтому в условиях высокочастотного нагрева, отличающихся сильным перегревом выше точек А и А₃ и отсутствием выдержки при максимальной температуре, образуется очень мелкое аустенитное зерно. Его размер может находиться в интервале 2. 7 мкм, в то время как при печном нагреве под закалку обычно образуются аустенитные зерна размером более 10 мкм.

Из-за большой скорости нагрева и отсутствия выдержки при максимальной температуре цикла диффузионные процессы оказываются незавершенными, и углерод распределен неоднородно в микрообъемах аустенита. Например, в стали 40 могут образоваться микроучастки аустенита, содержащие 1,7 % С.

Очень мелкое зерно, т.е. большая протяженность межзеренных границ, и неоднородность в распределении углерода делают аустенит менее устойчивым при перлитном превращении. Поэтому после индукционного нагрева требуется интенсивное закалочное охлаждение.

В микрообъемах аустенита с разной концентрацией углерода образуются кристаллы мартенсита, также различающиеся по составу. В участках аустенита с низкой концентрацией углерода точка М_н высокая и могут выделяться дисперсные карбиды при охлаждении мартенситных кристаллов в интервале от М_н до комнатной температуры. Аустенит с очень мелким зерном превращается в очень мелкие кристаллы мартенсита.

Указанные выше особенности строения мартенсита в стали после индукционного нагрева обусловливают повышенное сопротивление хрупкому разрушению и даже несколько большую твердость (на 4—6 ед. ЯЛСвыше, чем при закалке с печным нагревом).

Закалку с высокочастотным индукционным нагревом, отличающуюся большой производительностью, широко применяют для повышения твердости поверхности изделий, увеличения сопротивления изнашиванию и усталости. Повышению предела выносливости способствуют остаточные сжимающие напряжения в поверхностных слоях. Так как глубина проникновения тока обычно не превышает глубины прокаливаемости углеродистых сталей, то не требуется использовать легированные стали с повышенной про- кал иваемостью. Высокочастотную закалку широко применяют к деталям из дешевых углеродистых сталей, содержащих 0,4 % С и более.

Для каждой конфигурации детали необходимо изготовить свой индуктор и подобрать свой режим обработки. Поэтому поверхностная закалка с индукционным нагревом рентабельна при серийном производстве однотипных деталей, как, например, в автомобильной промышленности.

Слесарное дело

Инструмент

Материалы

Индукционная закалка металлов

Индукционная закалка – это широко используемая технология поверхностного закаливания стали, при которой металлическая заготовка нагревается методом индукционного нагрева, то есть с помощью переменного магнитного поля, до температуры в пределах или выше интервала мартенситного превращения, а затем подвергаются мгновенному охлаждению, в результате чего возрастают твёрдость и хрупкость детали.

При индукционной закалке происходит нагрев заготовок. При этом сердцевина заготовки остаётся незакалённой, а её физические свойства не отклоняются от свойств стального прутка, из которого выточена эта заготовка, в то время как твёрдость её оболочки (т.е. поверхностного слоя) может варьироваться в пределах 37-58 единиц по шкале Роквелла.

Для этой технологии лучше всего подходят углеродистые и легированные стали с эквивалентным содержанием углерода в пределах 0,40-0,45 %.

Индукционная закалка используется для выборочного отверждения участков компонента или узла без изменения его свойств в целом.

Технология индукционной закалки

Индукционный нагрев представляет собой технологию, основанную на использовании принципа электромагнитной индукции для бесконтактного внутреннего нагрева поверхностного слоя заготовки.

Поместив электропроводящий материал в сильном переменном магнитном поле, можно генерировать электрический ток внутри этого материала, что приведёт к его нагреву вследствие активных (омических) потерь в нём.

Что касается дальнейшего нагрева, то в магнитных материалах он продолжается до температуры ниже точки Кюри, что обусловлено потерями на магнитный гистерезис.

В процессе индукционного нагрева генерированный электрический ток течёт преимущественно в поверхностном слое заготовки. При этом глубина этого слоя зависит от частоты переменного магнитного поля, поверхностной плотности мощности, магнитной проницаемости материала, продолжительности нагрева и диаметра прутка или толщины материала.

При быстром охлаждении этого нагретого слоя в воде, масле или закалочной жидкости на основе полимеров поверхностный слой изменяется, приобретая мартенситную структуру, более твёрдую, чем у металла сердцевины заготовки.

В качестве технологической оснастки используется рабочая катушка, по которой пропускается электрический ток от источника переменного тока высокой частоты. При прохождении электрического тока по этой катушке в пространстве внутри неё создаётся очень мощное и быстро меняющееся магнитное поле. Нагреваемая заготовка помещается в этом мощном переменном магнитном поле, после чего внутри неё начинают генерироваться вихревые токи, а электрическое сопротивление металла приводит к её омическому нагреву.

Эта операция чаще всего применяется при индукционной закалке легированных сталей. Перед отгрузкой заказчику многие механические детали, например, валы, шестерни и пружины, подвергаются различным методам поверхностной обработки для улучшения характеристик износа. При этом эффективность применяемых методов обработки зависит как от изменения свойств материала поверхности, так и от возникновения в нём остаточных напряжений.

Технология индукционной закалки является одной из наиболее распространённых среди технологий поверхностной обработки, используемых для увеличения прочности деталей. Благодаря ей, заготовка сохраняет жёсткую сердцевину с остаточными напряжениями растяжения и приобретает твёрдый поверхностный слой с напряжением сжатия, что, как выяснилось, очень эффективно увеличивает усталостную долговечность и износостойкость детали.

Низколегированные среднеуглеродистые стали, подвергнутые индукционной закалке поверхности, широко применяются для изготовления критически важных компонентов автомобилей и механизмов, которые должны обладать высокой износостойкостью. При этом износостойкость закалённых деталей зависит от глубины и силы закалки, а также от распределения остаточного напряжения сжатия в поверхностном слое.

Чем различаются технологии цементации и индукционной закалки?

Если сравнить оба метода закалки изделий из стали, то первым бросающимся в глаза различием является обращение с обрабатываемыми деталями. При цементации одновременно закаливается большое количество деталей, а при индукционной закалке детали обрабатываются по одной. То есть при индукционной закалке детали обрабатываются поочередно, а при цементации можно говорить об одновременной закалке целых партий.

Естественно, это сказывается на производственном процессе. При цементации возрастает значение логистики деталей, так как детали нужно транспортировать между производственной линией и установкой для закалки. В случае использования индукционной закалки при использовании подходящей закалочной установки (например, серии MIND) процедура закалки может интегрироваться непосредственно в производственную линию и выполняться в рамках установленного для всей линии такта выпуска.

Более подробно о цементации

Цементация, как уже было показано, применяется для единовременной обработки целых партий деталей. Как и в случае с индукционной закалкой, целью является, поверхностная закалка заготовок.

При цементации закалка производится за счет так называемого «науглероживания» деталей. Для этого стальная деталь нагревается до температуры выше 880°C, чтобы материал достигнул аустенитного состояния. Затем поверхность детали диффузно насыщается углеродом из содержащей его среды. Благодаря диффузии, поверхность детали получает больше углерода, а ближе к ее центру плотность углерода остается практически прежней.

После насыщения углеродом производится закалка. Уровень проникновения углерода имеет большое значение для степени твердости и глубины закаленного слоя на изделии. Твердость, то есть степень твердости и глубина закалки, определяется глубиной науглероживания, способностью стали принимать углерод, ее закалочной способностью и режимом охлаждения. При этом, чем больше углерода в определенной части изделия, тем успешнее закалка в этой области.

После закалки производится отпуск (больше информации об этом в разделе «отпуск»), чтобы частично возвратить изделию его свойства пластической деформируемости. Цель процесса закалки заключается в том, чтобы поверхность детали сделать устойчивой к механическому воздействию, но и одновременно придать детали достаточно эластичности для отвода силового воздействия без возникновения повреждений.

Для влияния на глубину закаленного слоя при цементации, в принципе существуют две возможности. Во-первых, это влияние на разогрев детали, например, за счет нанесения специальных паст, которые предотвращают нагрев определенных мест детали, во-вторых, это влияние на режим охлаждения, для этого в ванну для охлаждения погружаются только определенные части детали.

Оба метода отличаются тем, что их результаты являются не очень точными, а требование стабильной воспроизводимости результата вынуждает считаться с большими допусками.

Совершенно иначе обстоит дело с индукционной закалкой.

Более подробно об индукционной закалке

Как уже было описано, при индукционной закалке каждая деталь обрабатывается отдельно. То есть каждая деталь отдельно подвергается тепловой обработке, охлаждается и, при необходимости, подвергается отпуску. (По ссылке Вы можете ознакомиться с общим описанием индукционной закалки)

Большим преимуществом индукционной закалки, наряду с возможностью интеграции в автоматическую производственную линию, является высокая точность управления и воспроизводимость результатов закалки.

Весь процесс закалки адаптируется к конкретной конструкции обрабатываемой детали – от конструкции индуктора до режимов подачи энергии, охлаждения и отпуска. За счет этого удается достигать очень хороших результатов, в том числе и при закалке деталей со сложной геометрией.