1. Краткие теоретические сведения
1.1 Поверхностная закалка с нагревом токами высокой частоты
Использовать ток высокой частоты для поверхностного нагрева стальных деталей впервые предложил в 1935 г. крупный советский ученый В.П. Вологдин. С 1937 г. этот метод нагрева деталей начал широко распространяться в отечественной промышленности и за рубежом.
Нагрев стали током высокой частоты (ТВЧ) основан на двух явлениях: индукции и поверхностном эффекте. Для нагрева током высокой частоты деталь помещается в индуктор (рис. 12), представляющий собой один или несколько витков медной трубки квадратного или круглого сечения, охлаждаемой внутри водой. По индуктору пропускается переменный высокочастотный ток, вызывающий возникновение в поверхностных слоях детали высокочастотного переменного магнитного поля, которое направлено в противоположную сторону по отношению к внешнему магнитному полю. Взаимодействие этих полей приводит к появлению вихревых токов (токов Фуко) и выделению Джоулева тепла, которое и нагревает поверхностные слои детали.
Поверхностный эффект заключается в том, что плотность индуктированного переменного тока по сечению нагреваемой детали неодинакова. Ток сосредотачивается в основном в поверхностных слоях детали, при этом с увеличением частоты тока глубина проникновения индуктированного тока в сталь глубина нагрева уменьшаются. В то же время глубина нагрева под закалку связана с глубиной закаленного слоя. В частности, при частоте тока 4 кГц глубина закалённого слоя составляет около 4 мм, а при 100 кГц – 0,8 мм.
Рис.12. Схема установки для нагрева током высокой частоты:
1 – генератор высокой частоты; 2 – конденсаторная батарея;
3 – понижающий трансформатор; 4 – индуктор; 5 – нагреваемая деталь; 6 – направление тока в индукторе; 7 – направление тока в детали
Источниками для питания током индуктора служат машинные генераторы с частотой 1–10 кГц (мощностью 30–2500 кВт) или ламповые генераторы частотой 440 кГц (мощностью 10–63 кВт) и 660 кГц (мощностью 100–160 кВт). В последнее время вместо машинных генераторов начали применять тиристорные преобразователи, которые обладают большим КПД (0,9–0,95 вместо 0,7–0,8) и являются бесшумными.
Температура нагрева стали под закалку с использованием ТВЧ превышает точки АсЗ или Аc1 не на 30–50 °C, как при обычной закалке, а на 100–150 °C, так как при быстром кратковременном нагреве не успевают проходить диффузионные процессы, необходимые для прохождения фазовых превращений. Т.е. критические точки сталей смещается в область более высоких температур.
Скорость нагрева стали ТВЧ достигает 100–300 °/сек. На практике время нагрева детали колеблется в пределах 6–10 с, редко 60–120 с. После нагрева под закалку до заданных температур детали подвергают интенсивному охлаждению водой в спрейерных устройствах, совмещенных в пространстве с индуктором или находящихся после него по ходу движения длинномерной детали.
Сталь, применяемая для поверхностной закалки с нагревом ТВЧ, должна содержать не менее 0,3 % C для того, чтобы получить после закалки высокую поверхностную твёрдость.
При поверхностной закалке с нагревом ТВЧ, вследствие быстрого нагрева, а, следовательно, весьма малого времени пребывания стали при высокой температуре, образуются очень мелкие зёрна аустенита, так как они не успевают вырасти. Чем меньше зёрна аустенита, тем мельче иглы мартенсита образуются при быстром охлаждении. Т.е. при закалке с нагревом ТВЧ образуется мелкоигольчатый мартенсит. Все это приводит к получению несколько более высокого комплекса механических свойств (твёрдости, прочности, пластичности, вязкости, усталостной прочности) у стали, закалённой с нагревом ТВЧ по сравнению со свойствами стали, закалённой при печном нагреве.
В соответствии с распределением температуры от поверхности вглубь детали, т.е. с ее уменьшением, образуются и соответствующие структуры при температуре нагрева и после быстрого охлаждения (Рис. 13).
Рис. 13. Закономерность распределения температуры при нагреве под закалку с использованием ТВЧ (а), твердости (б) и структурных составляющих (в) от поверхности после быстрого охлаждения (закалки).
В поверхностном слое, нагретом выше Ас3, при нагреве образуется структура аустенита, а после охлаждения образуется структура мартенсита тонкого сложения. Глубже, в слое, нагретом до температуры между Аc1 и Ac3, образовалась структура аустенита и феррита, а после быстрого охлаждения - смесь мартенсита и феррита. В сердцевине сохраняется структура перлита и феррита, т.е. она не проходит закалку. После закалки с нагревом ТВЧ низкий отпуск может не проводится.
Таким образом, поверхностная закалка с нагревом ТВЧ обеспечивает деталям сочетание высокой твердости и износостойкости за счет закаленной поверхности и вязкости с пластичностью, т.е. работоспособности деталям при кручении, изгибе и знакопеременном нагружении, за счет не упрочненной сердцевины.
К преимуществам поверхностной закалки с нагревом ТВЧ, по сравнению с объемной закалкой, использующей нагрев в печи, следует отнести:
► высокую скорость нагрева и кратковременность обработки;
► незначительное окисление и обезуглероживание поверхности металла;
► незначительное коробление деталей и возможность автоматизации процесса;
► возможность придания деталям сочетания твердости и износостойкости с пластичностью и вязкостью, что повышает надежность, безопасность и долговечность машин и механизмов.
Недостатками поверхностной закалки с нагревом ТВЧ являются:
► необходимость изготовления индукторов для каждого типоразмера детали;
► невысокая производительность при обработке крупногабаритных деталей;
► радиопомехи и отрицательное влияние на приборы и навигационную аппаратуру;
► вредное влияние на здоровье обслуживающего персонала.
На железнодорожном транспорте поверхностной закалке с нагревом ТВЧ подвергаются головки рельс, ведомые шестерни, изготовленных из стали 45ХН или стали 58, шейки валов и поверхности кулачков, изготовленных из стали 40Х, элементы буксовых роликоподшипников, изготовленных из стали ШХ4РП и другие детали.