Закалка сталей токами высокой частоты

Обновлено: 09.05.2024

Закалкой называют процесс термической обработки — нагрев стали до температуры выше критической и последующее охлаждение со скоростью, больше критической, с целью получения неравновесной структуры. В результате закалки повышается прочность и твердость стали.

На результат закалки оказывают влияние следующие факторы: нагрев (температура нагрева при закалке и скорость нагрева до температуры закалки, выдержка при температуре закалки) и охлаждение от температуры закалки.

Нагрев.

Выбор температуры нагрева при закалке углеродистых сталей проводится по левой нижней части диаграммы железо — цементит (рис. 98). При закалке доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30—50° выше верхней критической точки Ас3 [Ас3 + (30—50°)], т. е. выше линии GS диаграммы железо — цементит. При таком нагреве исходная феррито-перлитная структура превращается в аусте-нит, а после охлаждения со скоростью больше критической образуется структура мартенсита.

При закалке заэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30—50° выше нижней критической точки Ас1 [Ас1 + (30—50°)], т. е. выше линии SK диаграммы железо — цементит. Так как эта линия горизонтальная и соответствует температуре 727° С, для заэвтектоидной стали можно указать интервал температуры нагрева для закалки 760—790° С. При таком нагреве перлит полностью превращается в аустенит, а часть вторичного цементита остается нерастворенной, структура состоит из аустенита и цементита. После охлаждения со скоростью больше критической аустенит превращается в мартенсит.

Структура закаленной стали состоит из мартенсита и цементита. Наличие в структуре закаленной заэвтектоидной стали кроме мартенсита еще и цементита повышает твердость и износостойкость стали.

Для экономии времени нагрев стали необходимо вести по возможности быстро, однако не допуская образования дефектов. Нагрев деталей сложной формы необходимо проводить медленно. Если сложные детали нагревать быстро и резко, например сразу помещать их в печь, нагретую до температуры закалки, то возникают значительные внутренние напряжения и в результате возможно образование трещин. Поэтому практически детали сложной формы перед посадкой в печь для нагрева под закалку предварительно подогревают или температуру печи повышают вместе с помещенными в нее заранее деталями.

Общая продолжительность нагрева, т. е. общее время пребывания стальных деталей в нагревающей среде, состоит из двух слагаемых: времени нагрева до заданной температуры и времени выдержки при этой температуре.

Время нагрева деталей до заданной температуры зависит от температуры нагрева, степени легированности стали, конфигурации деталей, мощности и типа печи, величины садки, способа укладки деталей и других факторов.

Время выдержки исчисляется с момента достижения деталями заданной температуры и так же, как и время нагрева, зависит от многих факторов, влияющих на процессы растворения и структурных превращений, происходящих в стали.

Например, для нагрева, включая и выдержку, круглых деталей из углеродистых сталей при закалке рекомендуются следующие нормы времени: в пламенной печи — 1 мин на 1 мм сечения; в соляной ванне — 0,5 мин на 1 мм сечения. Время нагрева деталей из легированной стали увеличивается на 25—50%.

Для поверхностного упрочнения деталей наиболее эффективным способом является закалка токами высокой частоты .

Охлаждение.

Скорость охлаждения стали, нагретой до температуры закалки, оказывает решающее влияние на результат закалки.

В связи с тем что быстрое охлаждение необходимо только в интервале наименьшей устойчивости аустенита, а при дальнейшем понижении температуры, особенно в мартенситном интервале, быстрое охлаждение не только не нужно, но и нежелательно, наилучшей закалочной средой является та, которая быстро охлаждает в интервале температур 550—650° С (область температур наименьшей устойчивости аустенита), а также в области бейнитного превращения (350—500° С) и медленно — ниже 200—300° С (область температур мартенситного превращения).

Наиболее распространенными закалочными средами являются вода, водные растворы солей, щелочей и кислот, масло, воздух, расплавленные соли.

При охлаждении в воде и масле, температура кипения которых ниже температуры охлаждаемых в них деталей, скорость охлаждения различна в начальном, среднем и конечном периодах охлаждения и подразделяется на три стадии: стадия пленочного кипения, стадия пузырчатого кипения, стадия конвективного теплообмена.

Стадия пленочного кипения характеризуется образованием вокруг охлаждаемой детали паровой пленки, отделяющей раскаленную поверхность от всей массы жидкости, и поэтому скорость охлаждения на данной стадии сравнительно невелика. Пленочное кипение устойчиво при высоких температурах охлаждаемой поверхности.

Стадия пузырчатого кипения наступает при более низких температурах охлаждаемой поверхности, когда паровая пленка разрушается, создается непосредственный контакт жидкости с деталью; при кипении жидкости возникают многочисленные пузырьки пара, которые, отрываясь, уносят значительное количество тепла, в связи с чем охлаждение происходит с большой скоростью.
Стадия конвективного теплообмена наступает при понижении температуры поверхности ниже температуры кипения жидкости. Скорость теплоотвода в этой стадии низка и охлаждение протекает с небольшой скоростью.
Вода охлаждает гораздо быстрее, чем масло: в 6 раз быстрее при 550—650° С и в 28 раз быстрее при 200° С. Поэтому вода применяется для охлаждения сталей с большой критической скоростью закалки (углеродистых сталей), а в масле охлаждают стали с малой критической скоростью закалки (детали из легированных сталей или высокоуглеродистых сталей при тонких сечениях).

Основным недостатком воды как охладителя является высокая скорость охлаждения при пониженных температурах в области образования мартенсита, что приводит к возникновению больших структурных напряжений и создает опасность возникновения трещин. При нагреве воды ее закаливающая способность снижается в области высоких температур (550—650° С), а скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения остается высокой. Поэтому охлаждение в горячей воде не уменьшает возможность образования трещин. Добавление к воде солей, щелочей и кислот значительно увеличивает ее закаливающую способность в связи с расширением интервала пузырчатого кипения (почти полностью исключается стадия пленочного кипения). Положительным является также то, что эти растворы при низких температурах в мартенситном интервале охлаждают медленнее, чем вода.

Как указано выше, масло охлаждает значительно медленнее, чем вода. Но преимущество масла как охладителя заключается в том, что вследствие повышенной температуры кипения (250— 300° С), более высокой температуры перехода от пузырчатого кипения к конвективному теплообмену оно обладает небольшой скоростью охлаждения в области температур мартенситного превращения, и поэтому при охлаждении в масле опасность образования трещин резко уменьшается. Преимуществом масла является также то, что закаливающая способность не изменяется с повышением температуры масла (до 150—200° С).

Недостатки масла — это легкая воспламеняемость, пригорание к поверхности детали; под влиянием высокой температуры охлаждаемых деталей масло постепенно начинает густеть и закаливающая способность его понижается.

Поверхностная закалка ТВЧ

Закалка сталей токами высокой частоты (ТВЧ) — это один из распространенных методов поверхностной термической обработки, который позволяет повысить твердость поверхности заготовок. Применяется для деталей из углеродистых и конструкционных сталей или чугуна. Индукционная закалка ТВЧ являет собой один из самых экономичных и технологичных способов упрочнения. Она дает возможность закалить всю поверхность детали или отдельные ее элементы или зоны, которые испытывают основную нагрузку.

При этом под закаленной твердой наружной поверхностью заготовки остаются незакаленные вязкие слои металла. Такая структура уменьшает хрупкость, повышает стойкость и надежность всего изделия, а также снижает энергозатраты на нагрев всей детали.

Технология высокочастотной закалки

Поверхностная закалка ТВЧ — это процесс термообработки для повышения прочностных характеристик и твердости заготовки.

Основные этапы поверхностной закалки ТВЧ — индукционный нагрев до высокой температуры, выдержка при ней, затем быстрое охлаждение. Нагревание при закалке ТВЧ производят с помощью специальной индукционной установки. Охлаждение осуществляют в ванне с охлаждающей жидкостью (водой, маслом или эмульсией) либо разбрызгиванием ее на деталь из специальных душирующих установок.

Выбор температуры

Для правильного прохождения процесса закалки очень важен правильный подбор температуры, которая зависит от используемого материала.

Стали по содержанию углерода подразделяются на доэвтектоидные — меньше 0,8% и заэвтектоидные — больше 0,8%. Сталь с углеродом меньше 0,4% не закаливают из-за получаемой низкой твердости. Доэвтектоидные стали нагревают немного выше температуры фазового превращения перлита и феррита в аустенит. Это происходит в интервале 800—850°С. Затем заготовку быстро охлаждают. При резком остывании аустенит превращается в мартенсит, который обладает высокой твердостью и прочностью. Малое время выдержки позволяет получить мелкозернистый аустенит и мелкоигольчатый мартенсит, зерна не успевают вырасти и остаются маленькими. Такая структура стали обладает высокой твердостью и одновременно низкой хрупкостью.

Заэвтектоидные стали нагревают чуть ниже, чем доэвтектоидные, до температуры 750—800°С, то есть производят неполную закалку. Это связано с тем, что при нагреве до этой температуры кроме образования аустенита в расплаве металла остается нерастворенным небольшое количество цементита, обладающего твердостью высшей, чем у мартенсита. После резкого охлаждения аустенит превращается в мартенсит, а цементит остается в виде мелких включений. Также в этой зоне не успевший полностью раствориться углерод образует твердые карбиды.

В переходной зоне при закалке ТВЧ температура близка к переходной, образуется аустенит с остатками феррита. Но, так как переходная зона не остывает так быстро, как поверхность, а остывает медленно, как при нормализации. При этом в этой зоне происходит улучшение структуры, она становится мелкозернистой и равномерной.

Перегревание поверхности заготовки способствует росту кристаллов аустенита, что губительно сказывается на хрупкости. Недогрев не дает полностью феррито-перритной структуре перейти в аустенит, и могут образоваться незакаленные пятна.

После охлаждения на поверхности металла остаются высокие сжимающие напряжения, которые повышают эксплуатационные свойства детали. Внутренние напряжения между поверхностным слоем и серединой необходимо устранить. Это делается с помощью низкотемпературного отпуска — выдержкой при температуре около 200°С в печи. Чтобы избежать появления на поверхности микротрещин, нужно свести к минимуму время между закалкой и отпуском.

Также можно проводить так называемый самоотпуск — охлаждать деталь не полностью, а до температуры 200°С, при этом в ее сердцевине будет оставаться тепло. Дальше деталь должна остывать медленно. Так произойдет выравнивание внутренних напряжений.

Индукционная установка

Индукционная установка для термообработки ТВЧ представляет собой высокочастотный генератор и индуктор для закалки ТВЧ. Закаливаемая деталь может располагаться в индукторе или возле него. Индуктор изготовлен в виде катушки, на ней навита медная трубка. Он может иметь любую форму в зависимости от формы и размеров детали. При прохождении переменного тока через индуктор в нем появляется переменное электромагнитное поле, проходящее через деталь. Это электромагнитное поле вызывает возникновение в заготовке вихревых токов, известных как токи Фуко. Такие вихревые токи, проходя в слоях металла, нагревают его до высокой температуры.

Индукционный нагреватель ТВЧ

Отличительной чертой индукционного нагрева с помощью ТВЧ является прохождение вихревых токов на поверхности нагреваемой детали. Так нагревается только наружный слой металла, причем, чем выше частота тока, тем меньше глубина прогрева, и, соответственно, глубина закалки ТВЧ. Это дает возможность закалить только поверхность заготовки, оставив внутренний слой мягким и вязким во избежание излишней хрупкости. Причем можно регулировать глубину закаленного слоя, изменяя параметры тока.

Повышенная частота тока позволяет сконцентрировать большое количество тепла в малой зоне, что повышает скорость нагревания до нескольких сотен градусов в секунду. Такая высокая скорость нагрева передвигает фазовый переход в зону более высокой температуры. При этом твердость возрастает на 2—4 единицы, до 58—62 HRC, чего невозможно добиться при объемной закалке.

Для правильного протекания процесса закалки ТВЧ необходимо следить за тем, чтобы сохранялся одинаковый просвет между индуктором и заготовкой на всей поверхности закаливания, необходимо исключить взаимные прикосновения. Это обеспечивается при возможности вращением заготовки в центрах, что позволяет обеспечить равномерное нагревание, и, как следствие, одинаковую структуру и твердость поверхности закаленной заготовки.

Индуктор для закалки ТВЧ имеет несколько вариантов исполнения:

одно- или многовитковой кольцевой — для нагрева наружной или внутренней поверхности деталей в форме тел вращения — валов, колес или отверстий в них;
петлевой — для нагрева рабочей плоскости изделия, например, поверхности станины или рабочей кромки инструмента;
фасонный — для нагрева деталей сложной или неправильной формы, например, зубьев зубчатых колес.

В зависимости от формы, размеров и глубины слоя закаливания используют такие режимы закалки ТВЧ:

одновременная — нагревается сразу вся поверхность заготовки или определенная зона, затем также одновременно охлаждается;
непрерывно-последовательная — нагревается одна зона детали, затем при смещении индуктора или детали нагревается другая зона, в то время как предыдущая охлаждается.

Одновременный нагрев ТВЧ всей поверхности требует больших затрат мощности, поэтому его выгоднее использовать для закалки мелких деталей — валки, втулки, пальцы, а также элементов детали — отверстий, шеек и т.д. После нагревания деталь полностью опускают в бак с охлаждающей жидкостью или поливают струей воды.

Непрерывно-последовательная закалка ТВЧ позволяет закалять крупногабаритные детали, например, венцы зубчатых колес, так как при этом процессе происходит нагрев малой зоны детали, для чего нужна меньшая мощность генератора ТВЧ.

Охлаждение детали

Охлаждение — второй важный этап процесса закалки, от его скорости и равномерности зависит качество и твердость всей поверхности. Охлаждение происходит в баках с охлаждающей жидкостью или разбрызгиванием. Для качественной закалки необходимо поддерживать стабильную температуру охлаждающей жидкости, не допускать ее перегрева. Отверстия в спрейере должны быть одинакового диаметра и расположены равномерно, так достигается одинаковая структура металла на поверхности.

Чтобы индуктор не перегревался в процессе работы, по медной трубке постоянно циркулирует вода. Некоторые индукторы выполняются совмещенными с системой охлаждения заготовки. В трубке индуктора прорезаны отверстия, через которые холодная вода попадает на горячую деталь и остужает ее.

Закалка токами высокой частоты

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.

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.

Технология термообработки ТВЧ

Индукционный нагрев происходит в результате размещения обрабатываемой детали вблизи проводника переменного электрического тока, который называется индуктором. При прохождении по индуктору тока высокой частоты (ТВЧ) создаётся электромагнитное поле и, если в этом поле располагается металлическое изделие, то в нем возбуждается электродвижущая сила, которая вызывает прохождение по изделию переменного тока такой же частоты, как и ток индуктора.

Таким образом наводится тепловое воздействие, которое вызывает разогрев изделия. Тепловая мощность Р, выделяемая в нагреваемой детали, будет равна:

где К – коэффициент, зависящий от конфигурации изделия и величины зазора, образующегося между поверхностями изделия и индуктора; Iин - сила тока; f – частота тока (Гц); r – удельное электрическое сопротивление (Ом·см); m – магнитная проницаемость (Г/Э) стали.

На процесс индукционного нагрева существенное влияние оказывает физическое явление, называемое поверхностным (скин) эффектом: ток индуцируется преимущественно в поверхностных слоях, и при высоких частотах плотность тока в сердцевине детали мала. Глубина нагреваемого слоя оценивается по формуле:

Повышение частоты тока позволяет концентрировать в небольшом объёме нагреваемой детали значительную мощность. Благодаря этому реализуется высокоскоростной (до 500 С/сек) нагрев.

Параметры индукционного нагрева

Индукционный нагрев характеризуется тремя параметрами: удельной мощностью, продолжительностью нагрева и частотой тока. Удельная мощность — это мощность переходящая в теплоту на 1 см2 поверхности нагреваемого металла (кВт/см2). От величины удельной мощности зависит скорость нагрева изделия: чем она больше, тем быстрее осуществляется нагрев.

Продолжительность нагрева определяет общее количество передаваемой тепловой энергии, а соответственно и достигаемую температуру. Также важно учитывать частоту тока, так как от нее зависит глубина закаленного слоя. Частота тока и глубина нагреваемого слоя находятся в противоположной зависимости (вторая формула). Чем выше частота, тем меньше нагреваемый объем металла. Выбирая величину удельной мощности, продолжительность нагрева и частоту тока, можно в широких пределах изменять конечные параметры индукционного нагрева - твердость и глубину закаленного слоя при закалке или нагреваемый объем при нагреве под штамповку.

На практике контролируемыми параметрами нагрева, являются электрические параметры генератора тока (мощность, сила тока, напряжение) и продолжительность нагрева. При помощи пирометров также может фиксироваться температура нагрева металла. Но чаще не возникает необходимости в постоянном контроле температуры, так как подбирается оптимальный режим нагрева, который обеспечивает постоянное качество закалки или нагрева ТВЧ. Оптимальный режим закалки подбирается изменением электрических параметров. Таким образом осуществляют закалку нескольких деталей. Далее детали подвергаются лабораторному анализу с фиксированием твёрдости, микроструктуры, распределения закалённого слоя по глубине и плоскости. При недогреве в структуре доэвтектоидных сталей наблюдается остаточный феррит; при перегреве возникает крупноигольчатый мартенсит. Признаки брака при нагреве ТВЧ такие же, как и при классических технологиях термообработки.

При поверхностной закалке ТВЧ нагрев проводится до более высокой температуры, чем при обычной объемной закалке. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, при очень большой скорости нагрева температуры критических точек, при которых происходит переход перлита в аустенит, повышаются, а во-вторых, нужно, чтобы это превращение успело завершиться за очень короткое время нагрева и выдержки.

Несмотря на то, что нагрев при высокочастотной закалке проводится до более высокой температуры, чем при обычной, перегрева металла не происходит. Так происходит из-за того, что зерно в стали попросту не успевает вырасти за очень короткий промежуток времени. При этом также стоит отметить, что по сравнению с объемной закалкой, твердость после закалки ТВЧ получается выше примерно на 2— 3 единицы HRC. Это обеспечивает более высокую износостойкость и твердость поверхности детали.

Преимущества закалки токами высокой частоты

высокая производительность процесса
легкость регулирования толщины закаленного слоя
минимальное коробление
почти полное отсутствие окалины
возможность полной автоматизации всего процесса
возможность размещения закалочной установки в потоке механической обработки.

Наиболее часто поверхностной высокочастотной закалке подвергают детали, изготовленные из углеродистой стали с содержанием 0,4—0,5% С. Эти стали после закалки имеют поверхностную твердость HRC 55—60. При более высоком содержании углерода возникает опасность появления трещин из-за резкого охлаждения. Наряду с углеродистыми применяются также низколегированные хромистые, хромоникелевые, хромокремнистые и другие стали.

Оборудование для выполнения индукционной закалки (ТВЧ)

Индукционная закалка требует специального технологического оборудования, которое включает три основных узла: источник питания - генератор токов высокой частоты, индуктор и устройство для перемещения деталей в станке.

Генератор токов высокой частоты это электрические машины, различающиеся по физическим принципам формирования в них электрического тока.

Электронные устройства, работающие по принципу электронных ламп, преобразующих постоянный ток в переменный ток повышенной частоты – ламповые генераторы.
Электромашинные устройства, работающие по принципу наведения электрического тока в проводнике, перемещающихся в магнитном поле, преобразующие трехфазный ток промышленной частоты в переменный ток повышенной частоты – машинные генераторы.
Полупроводниковые устройства, работающие по принципу тиристорных приборов, преобразующих постоянный ток в переменный ток повышенной частоты – тиристорные преобразователи (статические генераторы).

Генераторы всех видов различаются по частоте и мощности генерируемого тока

Виды генераторов Мощность, кВт Частота, кГц КПД

Ламповые 10 - 160 70 - 400 0,5 - 0,7

Машинные 50 - 2500 2,5 - 10 0,7 - 0,8

Тиристорные 160 - 800 1 - 4 0,90 - 0,95

Поверхностную закалку мелких деталей (иглы, контакты, наконечники пружин) осуществляют с помощью микроиндукционных генераторов. Вырабатываемая ими частота достигает 50 МГц, время нагрева под закалку составляет 0,01-0,001 с.

Способы закалки ТВЧ

По выполнению нагрева различают индукционную непрерывно-последовательную закалку и одновременную закалку.

Непрерывно-последовательная закалка применяется для длинномерных деталей постоянного сечения (валы, оси, плоские поверхности длинномерных изделий). Нагреваемая деталь перемещается в индукторе. Участок детали, находящийся в определенны момент в зоне воздействия индуктора, нагревается до закалочной температуры. На выходе из индуктора участок попадает в зону спрейерного охлаждения. Недостаток такого способа нагрева – низкая производительность процесса. Чтобы увеличить толщину закленного слоя необходимо увеличить продолжительность нагрева с помощью снижения скорости перемещения детали в индукторе. Одновременная закалка предполагает единовременный нагрев всей упрочняемой поверхности.

Эффект самоотпуска после закалки

После завершения нагрева поверхность охлаждается душем или потоком воды непосредственно в индукторе либо в отдельном охлаждающем устройстве. Такое охлаждение позволяет выполнять закалку любой конфигурации. Дозируя охлаждение и изменяя его продолжительность, можно реализовать эффект самоотпуска в стали. Данный эффект заключается в отведении тепла, накопленного при нагреве в сердцевине детали, к поверхности. Говоря другими словами, когда поверхностный слой охладился и претерпел мартенситное превращение, в подповерхностном слое еще сохраняется определенное количество тепловой энергии, температура которой может достигать температуры низкого отпуска. После прекращения охлаждения эта энергия за счет разницы температур будет отводиться на поверхность. Таким образом отпадает необходимость в дополнительных операциях отпуска стали.

Конструкция и изготовление индукторов для закалки ТВЧ

Индуктора изготавливают из медных трубок, через которые в процессе нагрева пропускается вода. Таким образом предотвращается перегрев и перегорание индукторов при работе. Изготавливаются также индукторы, совмещаемые с закалочным устройством - спрейером: на внутренней поверхности таких индукторов имеются отверстия, через которые на нагретую деталь поступает охлаждающая жидкость.

Для равномерного нагревания необходимо изготавливать индуктор таким образом, чтобы расстояние от индуктора до всех точек поверхности изделия было одинаковым. Обычно это расстояние составляет 1,5-3 мм. При закалке изделия простой формы это условие легко выполняется. Для равномерности закалки, деталь необходимо перемещать и (или) вращать в индукторе. Это достигается применением специальных устройств - центров или закалочных столов.

Разработка конструкции индуктора предполагает прежде всего определение его формы. При этом отталкиваются от формы и габаритов закаливаемого изделия и способа закалки. Кроме того, при изготовлении индукторов учитывается характер перемещения детали относительно индуктора. Также учитывается экономичность и производительность нагрева.

Охлаждение деталей может применяется в трех вариантах: водяным душированием, водяным потоком, погружением детали в закалочную среду. Душевое охлаждение может осуществляться как в индукторах-спрейерах, так и в специальных закалочных камерах. Охлаждение потоком позволяет создавать избыточное давление порядка 1 атм, что способствует более равномерному охлаждению детали. Для обеспечения интенсивного и равномерного охлаждения необходимо, чтобы вода перемещалась по охлаждаемой поверхности со скоростью 5-30 м/сек.

НПП «ЭЛСИТ»

Закалка – это технологический процесс высокотемпературной обработки металла, заключающийся в нагреве металла до нижней критической точки АС1 или верхней АС3. После нагрева металл выдерживается при заданной температуре, а затем проходит быстрое охлаждение при помощи технических масел или воды, а в некоторых случаях – медленное охлаждение на открытом воздухе. После закалки сталь меняет структуру и становится более твердой. Закалка в основном производится для повышения прочности конструкции.

Инструментальные стали становятся более твердыми и износостойкими после обработки под воздействием высокой температуры.

Как выбрать температуру для закалки

В некоторых случаях определить температуру для закалки стали становится сложно, но очень важно помнить, что в первую очередь все зависит от химического состава стали. Если производится обработка доэвтектоидных сталей, то следует нагревать до температуры, которая будет примерно на 30-50° выше точки АС3. При данном нагреве сталь получит структуру аустенита, если охладить металл со скоростью, которая сможет превысить скорость закалки, то аустенит сменится мартенситом. Описанный выше вид закалки стали принято называть полной закалкой.
Обратите внимание, что если производить нагрев в диапазоне температур АС1-АС3, то мартенсит сохранит остаточное количество феррита, что снизит прочность стали, прошедшей закалку. Это будет неполная закалка стали. Заэвтектоидную сталь лучше всего обрабатывать при температуре, которая будет на 20-30° выше точки АС1.

Произвести наиболее точную закалку стали поможет закалочный станок ТВЧ, имеющий автоматизированное программное обеспечение, настраиваемое с высокой точностью.

Скорость охлаждения стали во время закалки

Мартенситовая поверхность стали получается, если аустенит переохладить, проведя быстрое охлаждение изделия. Охлаждение аустенита следует проводить при температуре его наименьшей устойчивости, которая, как правило, равняется 550-650° С.
Если температура металла опускается ниже 240° С, то выгоднее будет применить к нему замедленный процесс охлаждения для того, чтобы структурные напряжения, успевшие образоваться во время нагрева, смогли выровняться, при этом не снижая твердости появившегося мартенсита.
Правильный выбор процесса охлаждения имеет немаловажное значение в проведении закалки. Если выбрать неверный способ охлаждения, то можно получить совершенно неожиданный результат.
Чаще всего для закалки используют воду, 5-%-ный раствор натра или поваренной соли, а также специальные технические масла. Для закалки стали, содержащий высокий процент углерода, лучше использовать воду, нагретую до 18°С. Для закалки легированных сталей отлично подойдет техническое масло. Закалка ТВЧ в специальном индукционном оборудовании производится с высокой точностью. Точная настройка программного обеспечения установок позволяет указать не только температуру нагрева, но и процесс, а также скорость охлаждения.

Закаливаемость или прокаливаемость стали

Закаливаемость металла и его прокаливаемость – это две абсолютно разные характеристики, которые не следует путать или смешивать.

Закаливаемость стали – это характеристика, указывающая на способность стали повышать твердость во время воздействия высоких температур. Некоторые металлы, в том числе и сталь определенного состава, имеют довольно низкий уровень закаливаемости. Такие металлы называют «не принимающие закалку». К таким видам стали можно отнести составы, имеющие менее 0,3% углерода.
Прокаливаемость стали – это характеристика, указывающая на способность металла закаляться на заданную глубину. Поверхность изделий во время закалки охлаждается быстрее, чем сердцевина и средние слои металла. Уровень прокаливаемости стали во многом зависит от критической скорости закалки (чем ниже будет скорость, тем глубже прогреется изделие). Исходная структура стали также оказывает большое влияние на глубину прокаливаемости металла. Определяется уровень прокаливаемости металла по микроструктуре, а также твердости изделия.

Оборудование для закалки стали

Для проведения закалочного процесса используется различное оборудование, в том числе и раскаленное масло. Для закалки стали используют электрические печи, некоторые химические вещества, кипящее масло, горны, а также индукционное оборудование. На сегодняшний день индукционная установка стала более популярной на металлургических заводах, ведь она способна за короткий промежуток времени справляться с закалкой металла, выполняя свою задачу с высоким качеством.
Какое оборудование лучше всего выбрать для закалки стали – решать только Вам, но перед принятием решения тщательно ознакомьтесь с преимуществами и недостатками всех видов нагрева металла.

Закалка ТВЧ - преимущества и недостатки закалки токами высокой частоты

Прочность ответственных стальных изделий зависит от состояния поверхности. Для того чтобы придать ей необходимую твердость, износостойкость и вязкость, детали подвергают термообработке. Одним из способов поверхностного упрочнения изделий является закалка токами высокой частоты (ТВЧ). Это самый распространенный и высокопроизводительный метод при крупносерийном изготовлении деталей.

Такой обработке подвергаются не только сами детали, но и отдельные участки, которые должны иметь определенные прочностные характеристики. Повышение прочности и твердости поверхности изделия закалкой ТВЧ улучшает работоспособность, тем самым продлевая срок эксплуатации.
Применяется закалка ТВЧ для деталей машин и станков, применяемых во многих отраслях промышленности, а также для закалки инструмента разного назначения.

Сущность метода закалки ТВЧ

Закалка ТВЧ основана на способности переменного электрического тока проходить по поверхности детали, находящейся в индукторе и этим вызывается нагрев, который может проникать на разную глубину за счет образования магнитного поля. В то же время, середина нагреваемого изделия, остается или вовсе не нагретой или незначительно нагревается. На поверхности образуется необходимая толщина слоя, по которому проходит эл. ток. Это и есть глубина проникновения тока, которая зависит от следующих факторов:

удельного сопротивления металла;
магнитной проницаемости;
частоты переменного тока.

Установлено, что с увеличением частоты тока глубина проникновения токов в изделие уменьшается, что позволяет получать детали с малой толщиной закалки. ТВЧ для нагрева металла получают от специальных установок – генераторов, умножителей и преобразователей частоты, которые позволяют получать частоту в разных пределах (от 150 до 15000 Гц).
Кроме частоты переменного тока, на качество полученной поверхности влияют размеры и конфигурация изделия, а также материал и конструкция индуктора. Чем проще форма детали и меньше ее размеры, тем выше качество закаливаемой поверхности, а также меньше расход электроэнергии.
Индукторы выполняют из меди. Их внутренняя поверхность чаще всего имеет специальные отверстия для подачи воды для охлаждения, т. е. он одновременно нагревает до необходимой температуры, а затем охлаждает при отключенном токе. Происходит все это в автоматическом режиме. Конфигурация индуктора может быть самой разной – кольцевой, зигзагообразной, петлевой и другого типа. Его устройство зависит от формы детали, которую необходимо закаливать.
Некоторые установки в своей конструкции имеют индукторы без отверстий, в этом случае охлаждение изделий происходит в специальном баке, который называется закалочным. Основное требование – зазор между индуктором и деталью в процессе закалки должен быть постоянным, в этом случае качество закаливаемой поверхности будет самым высоким.
Закалочная операция может выполняться 3 способами:

непрерывно-последовательным;
одновременным;
последовательным.

При непрерывно-последовательной закалке изделие неподвижно, а индуктор перемещается вдоль нее. При одновременном способе наоборот - деталь вращается, а индуктор неподвижен. Последовательный метод позволяет проводить поочередную закалку отдельных частей детали.

Преимущества закалки ТВЧ

К основным преимуществам закалки ТВЧ относят:

возможность контроля режима закалки;
возможность замены легированных сталей на углеродистые;
равномерность нагрева;
отсутствие прогрева изделия целиком, что приводит к экономии ресурсов;
высокие прочностные свойства закаленных деталей;
поверхность в процессе закалки не обезуглероживается и не окисляется;
отсутствие закалочных трещин;
отсутствие коробления;
возможность подвергать закалке отдельные участки детали;
экономию времени на проведение закалки;
возможность монтажа и эксплуатации установок в технологический процесс изготовления деталей.

Недостатки закалки ТВЧ

Единственный недостаток закалки ТВЧ заключается в высокой стоимости установок, поэтому их рационально использовать при крупно- и многосерийном производстве, что вполне оправдает столь высокую цену.

Читайте также: