9. Поверхностное упрочнение термической обработкой
План лекции
1. Особенности технологии поверхностной закалки ТВЧ
2. Выбор частоты тока и оборудования
3. Энергетические и термические параметры индукционного нагрева
Поверхностное упрочнение термической обработкой может выполняться при нагреве: индукционном - токами высокой частоты (т.в.ч.), электронно-лучевом, лазерным лучом, электроплазменном, электрической дугой или пламенем газовой горелки. Все перечисленные способы нагрева используют высококонцентрированные источники тепла, которые имеют плотность мощности не менее 103 Вт⁄см2. Такая концентрация тепла обеспечивает достижение высоких температур поверхности при весьма малом времени нагрева, то есть глубинные слои изделия остаются практически холодными.
Данный способ термического упрочнения применяется для деталей, работающих на износ, трение. При изгибе, кручении, контактных напряжениях, циклических нагрузках. В результате на поверхности образуется слой с высокой твердостью, прочностью при сохранении вязкой сердцевины. Из всех перечисленных способов нагрева наиболее распространенным является индукционный нагрев т.в.ч. Так на заводах автомобильных и сельскохозяйственного машиностроения ~60 % термически упрочняемых деталей проходят закалку т.в.ч.
Способ бесконтактного индукционного нагрева состоит в следующем. Нагреваемую деталь помещают в индуктор, который представляет собой одно- или многовитковую катушку. Индуктор питается переменным электрическим током высокой частоты, при этом внутри катушки создается переменное магнитное поле, которое взаимодействует с металлом нагреваемой детали (рис. 9).
В соответствии с законом электромагнитной индукции в поверхностных слоях детали возникает электродвижущая сила, то есть переменный ток той же частоты, что и ток на индукторе. Согласно закона Джоуля-Ленца количество тепла - Q может быть определено по формуле:
Q = I2· R·τ [кДж], (5)
где I - сила тока равна 5000-8000 А,
R – сопротивление материала нагреваемой детали, Ом,
τ – время нагрева, с.
Рис.9. Схема индукционного нагрева: а – распределение магнитного потока в индукторе; б- направление токов в индукторе и детали; 1 – нагреваемая деталь; 2 – виток индуктора; 3 – магнитные силовые линии; 4 – направление тока в индукторе; 5 – направление тока в детали.
За счет теплового действия тока происходит нагрев детали. Переменный ток распределяется по сечению детали неравномерно, сосредотачиваясь преимущественно в поверхностных слоях (поверхностный эффект, скин-эффект, рис. 10).
Рис. 10. Распределение плотности переменного тока по нагреваемой детали; 1 – действительное распределение; 2 – условное распределение; - глубина проникновения тока в деталь.
При этом около 87 % всей тепловой энергии выделяется в слое, измеряемом глубиной проникновения тока - δ, которая вычисляется по формуле: ≈ 5030 √ρ ⁄ μ·f [см], (6)
где ρ – удельное электросопротивление материала детали, ом·см, μ – относительная магнитная проницаемость, f – частота тока, Гц.
При нагреве характеристики материала ρ и μ изменяются, но это нерегулируемые параметры, следовательно, для получения требуемой глубины проникновения тока необходимо рассчитать его частоту, для сталей применяется более упрощенная формула:
δ≈ 5030 √f (7).
Глубина закаленного слоя – δзак. связана с глубиной проникновения тока - δ следующей формулой:
δзак ≈ 0,5 .δ (8).
Таким образом, при индукционном нагреве энергия источника тепла выделяется непосредственно в нагреваемой детали, что ускоряет нагрев высококонцентрированным источником тепла. При этом время нагрева составляет несколько секунд или десятки секунд.