Устаткування ТВЧ для гарту стали. Установка ТВЧ для загартування

Піч для плавки металів в домашніх умовах може використовуватися також для швидкого нагріву металевих елементів, наприклад, при їх лудінні або формуванні. Характеристики роботи представлених установок можна підігнати під конкретну задачу, змінюючи параметри індуктора і вихідний сигнал генераторних установок - так можна добитися їх максимальної ефективності.

Загартування сталі виробляється для додання металу більшої стійкості. Загартуванню піддаються в повному обсязі вироби, а тільки ті, що часто стираються і пошкоджуються ззовні. Після гарту верхній шар вироби стає дуже міцним і захищеним від появи корозійних утворень і механічних пошкоджень. Загартування струмами високої частоти дає можливість домогтися саме того результату, який необхідний виробнику.

Чому саме гарт ТВЧ

Коли є вибір, дуже часто виникає питання «чому?». Чому варто вибрати саме загартування ТВЧ, якщо є й інші способи загартування металу, наприклад, застосування розпеченого масла.
Загартування ТВЧ має безліч переваг, через які стала активно застосовуватися в останнім часом.

1. Під впливом струмів високої частоти нагрів виходить рівномірним по всій поверхні виробу.
2. Програмне забезпечення індукційної установки може повністю проконтролювати процес гарту для отримання більш точного результату.
3. Загартування ТВЧ дає можливість нагріву вироби на необхідну глибину.
4. Індукційна установка дозволяє знизити кількість браку у виробництві. Якщо при використанні розпечених масел на виробі дуже часто утворюються окалини, то нагрів ТВЧ повністю позбавляє від цього. Загартування ТВЧ знижує кількість бракованих виробів.
5. Індукційна гарт надійно захищає виріб і дає можливість збільшення продуктивності на підприємстві.

Переваг у індукційного нагріву дуже багато. Існує і один мінус - в індукційному обладнанні дуже складно провести загартування вироби, що має складну форму (багатогранники).

Обладнання для гартування ТВЧ

Для гарту ТВЧ використовується сучасне індукційне промислове. Індукційна установка компактна і дозволяє за короткий проміжок часу обробити значну кількість виробів. Якщо на підприємстві постійно необхідно проводити загартування виробів, то краще всього придбати гартівний комплекс.
У комплектацію гартувального комплексу входить: гартівний верстат, індукційна установка, маніпулятор, модуль охолодження, а також при необхідності може бути доданий комплект індукторів для загартування виробів різної форми і розмірів.
Обладнання для гартування ТВЧ- це відмінне рішення для проведення якісної гарту металевих виробів і отримання точних результатів в процесі перетворення металу.

Міцність елементів в особливо відповідальних сталевих конструкціях багато в чому залежить від стану вузлів. Поверхня деталей грає не останню роль. Для додання їй необхідної твердості, стійкості або в'язкості проводяться операції термічної обробки. Зміцнюють поверхню деталей різними методами. Один з них - гарт струмами високої частоти, тобто ТВЧ. Він відноситься до найбільш поширеним і дуже продуктивним способом під час великосерійного виробництва різних конструкційних елементів.

Подібна термообробка застосовується як цілком до деталей, так і до окремих їх ділянках. У цьому випадку метою є досягнення певних рівнів міцності, тим самим підвищуючи термін експлуатації і експлуатаційні характеристики.

Технологія використовується для посилення вузлів технологічного устаткування і транспорту, а також при загартовуванні різного інструменту.

сутність технології

ТВЧ гарт - це поліпшення міцності деталі за рахунок здатності електричного струму (зі змінною амплітудою) проникати в поверхню деталі, піддаючи її нагрівання. Глибина проникнення завдяки магнітному полю може бути різною. Одночасно з поверхневим нагріванням і загартовуванням серцевина вузла може бути не прогрітій зовсім або лише незначно підвищити свою температуру. Поверхневий шар виробу утворює необхідну товщину, достатню для проходження електричного струму. Даний шар являє собою глибину проникнення електроструму.

Експерименти довели, що збільшення частоти струму сприяє зменшенню глибини проникнення. Даний факт відкриває можливості для регулювання і отримання деталей з мінімальним загартованим шаром.

Термообробка ТВЧ здійснюється в спеціальних установках - генераторах, помножувачах, перетворювачах частоти, що дозволяють здійснювати регулювання в необхідному діапазоні. Крім частотних характеристик на кінцеву загартування впливають габарити і форма деталі, матеріал виготовлення і використовуваний індуктор.

Виявлено також наступна закономірність - чим менше виріб і чим простіша у нього форма, тим краще проходить процес загартовування. При цьому також знижується загальна витрата електроенергії установки.

Індуктор мідний. На внутрішній поверхні часто є додаткові отвори, призначені для подачі води при охолодженні. В цьому випадку процес супроводжується первинним нагріванням і наступному охолодженні без подачі струму. Конфігурації індукторів різні. Обиране пристрій безпосередньо залежить від оброблюваної заготовки. У деяких апаратах відсутні отвори. У такій ситуації охолоджується деталь в особливому гартівному баку.

Основною вимогою до процесу ТВЧ гарту є збереження постійного зазору між індуктором і виробом. При збереженні заданого проміжку якість загартовування стає найбільш високим.

Зміцнення може проводиться одним із способів:

• Безперервно-послідовний: деталь нерухома, а індуктор рухається уздовж її осі.
• Одночасний: виріб рухається, а індуктор - навпаки.
• Послідовний: відбувається почергова обробка різних частин.

Особливості індукційної установки

Установка для ТВЧ гарту є високочастотним генератором спільно з індуктором. Оброблюваний виріб розташовується як в самому індукторі, так і поруч з ним. Він являє собою котушку, на якій накручена трубочка з міді.

Змінний електричний струм при проходженні через індуктор створює електромагнітне поле, проникаюче в заготовку. Воно провокує розвиток вихрових струмів (струмів Фуко), які проходять в структуру деталі і підвищують її температуру.

Головна особливість технології- проникнення вихрового струму в поверхневу структуру металу.

Підвищення частоти відкриває можливості для концентрації тепла на малій ділянці деталі. Це збільшує швидкість підняття температури і може досягати до 100 - 200 градусів / сек. Ступінь твердості збільшується до 4 одиниць, що виключено під час об'ємного гартування.

Індукційний нагрів - характеристики

Ступінь індукційного нагріву залежить від трьох параметрів - питома потужність, час нагрівання, частота електроструму. Потужність визначає час, витрачений на нагрівання деталі. Відповідно при більшому значенні часу витрачається менше.

Час нагрівання характеризується загальним обсягом витраченого тепла і розвивається температурою. Частота, як було сказано вище, визначає глибину проникнення струмів і освіченого гартувати шару. Ці характеристики мають зворотну залежність. При збільшенні частоти, знижується об'ємна маса нагрітого металу.

Саме дані 3 параметра дозволяють в широкому діапазоні регулювати ступінь твердості і глибину шару, а також обсяг нагріву.

Практика показує, що контролюються характеристики генераторної установки (значення напруги, потужності і сили струму), а також час нагрівання. Ступінь нагрівання деталі може контролюватися за допомогою пірометра. Однак в основному безперервний контроль температури не потрібно, тому що існують оптимальні режими нагрівання ТВЧ, що забезпечують стабільну якість. Відповідний режим вибирається з урахуванням змінених електричних характеристик.

Після гарту виріб відправляють в лабораторію на дослідження. Вивчається твердість, структура, глибина і площину розподіленого гартувати шару.

Поверхневе загартування ТВЧ супроводжується великим нагріваннямв порівнянні зі звичайним процесом. Пояснюється це наступним чином. В першу чергу, висока швидкість підвищення температури сприяє збільшенню критичних точок. У другу, необхідно в короткий термін забезпечити завершення перетворення перліту в аустеніт.

Високочастотний загартовування, в порівнянні зі звичайним процесом, супроводжується більш високим нагріванням. Однак метал не перегрівається. Пояснюється це тим, що зернисті елементи в сталевий структурі не встигають розростися за мінімальний час. Крім цього об'ємна гарт має міцність нижче до 2-3 одиниць. Після гарту ТВЧ деталь має більшу зносостійкість і твердістю.

Як вибирається температура?

Дотримання технології повинно супроводжуватися правильним вибором температурного діапазону. В основну чергу все буде залежати від оброблюваного металу.

Сталь класифікується на кілька типів:

• Доевтектоїдних - вміст вуглецю до 0,8%;
• Заевтектоідних - більше 0,8%.

Доевтектоїдних сталь нагрівається до значення трохи більшого, ніж необхідно для перетворення перліту і фериту в аустеніт. Діапазон від 800 до 850 градусів. Після цього деталь з високою швидкістю охолоджується. Після різкого охолодження аустеніт перетворюється в мартенсит, який має високу твердість і міцність. При невеликому часу витримки виходить аустенит дрібнозернистої структури, а також мелкоігольчатий мартенсит. Сталь отримує високу твердість і невелику крихкість.

Заевтектоідних сталь нагрівається менше. Діапазон від 750 до 800 градусів. У цьому випадку проводиться неповна гарт. Пояснюється це тим, що подібна температура дозволяє зберегти в структурі деякий обсяг цементиту, що має більш високу твердість у порівнянні з мартенситом. При швидкому охолодженні аустеніт перетворюється в мартенсит. Цементит же зберігається дрібними включеннями. Зона також записує не розчинився повноцінно вуглець, що перетворився в твердий карбід.

переваги технології

• Контролювання режимів;
• Заміна легованої сталі на вуглецеву;
• Рівномірний процес прогріву вироби;
• Можливість не нагрівати всю деталь повністю. Зниження енергоспоживання;
• Висока отримується міцність обробленої заготовки;
• Чи не відбувається процес окислення, не спалюється вуглець;
• Немає мікротріщин;
• Відсутні жолоблення точки;
• Нагрівання і загартовування певних ділянок виробів;
• Зниження тимчасових витрат на процедуру;
• Впровадження при виготовленні деталей ТВЧ установок в технологічні лінії.

недоліки

Головним мінусом даної технології є значна ціна установки. Саме з цієї причини доцільність застосування виправдовується лише на великосерійному виробництві і виключає можливість проведення роботи своїми руками в домашніх умовах.

Більш докладно роботу і принцип дії установки вивчіть на представлених відео.

Гартівна установка для нагріву т. В. ч. складається з генератора т. в. ч.,

понижувального трансформатора, конденсаторних батарей, індуктора, верстата (іноді верстат замінюється пристосуванням для приведення в рух деталі або індуктора) і апаратури, що несе допоміжну службу (реле часу, реле управління подачею закалочной рідини, сигнальних, блокувальних і регулюючих пристроїв).

У розглянутих установках застосовуються такі генератори т.в.ч.при середніх частотах (500-10000 Гц) машинні генератори, а останнім часом статичні перетворювачі тиристорного типу; при високих частотах (60000 Гц і вище) лампові генератори. Перспективним видом генераторів є іонні перетворювачі, так звані ексітронние генератори. Вони дозволяють звести втрати енергії до мінімуму.

На рис. 5 зображена схема установки з машинним генератором. Крім машинного генератора 2 і двигуна 3 з збудником 1, установка містить понижуючий трансформатор 4, конденсаторні батареї 6 і індуктор 5. Трансформатор знижує напругу до безпечного (30-50 В) і одночасно збільшує силу струму в 25-30 разів, доводячи її до 5000-8000 А.

Малюнок 5 Малюнок 6

Таблиця 1 Типи і конструкції індукторів

На Рис. 6 показаний приклад гарту багатовитковим індуктором. Загартування здійснюється наступним чином:

Деталь поміщається всередині нерухомого індуктора. З запуском апарату ТВЧ деталь починає обертатися навколо своєї осі і одночасно нагріватися, потім за допомогою автоматизованого управління подається рідина (вода) і охолоджує робити. Весь процес триватиме від 30-45 секунд.

ТВЧ гарт - вид термообробки металу, в результаті якого значно підвищується твердість і матеріал втрачає пластичність. Відмінність ТВЧ гарту від інших способів загартування в тому що нагрівання проводиться за допомогою спеціальних ТВЧ установок, які діють на призначалися для загартування деталь струмами високої частоти. ТВЧ гарт володіє великою кількістю переваг, головний з яких - повний контроль нагріву. Застосування даних гартівних комплексів може значно підвищити якість продукції, що випускається, так як процес загартування проводиться в повністю автоматичному режимі, робота оператора полягає тільки в закріпленні вала і включенні циклу роботи верстата.

5.1.Преімущества індукційних гартівних комплексів (установки індукційного нагріву):

ТВЧ гарт може проводитися з точністю до 0,1 мм

Забезпечення рівномірного прогріву, індукційна гарт дозволяє добитися ідеального розподілу твердості у всій довжині вала

Висока твердість ТВЧ гарту досягається завдяки використанню спеціальних індукторів з водоводами, які остуджують вал негайно після прогріву.

ТВЧ гартівне обладнання (печі гартівні) підбирається або виготовляється в точній відповідності технічним завданням.

6.Удаленіе окалини в дробоструминних установках

У дробоструминних установках деталі від окалини очищаються струменем чавунної або сталевого дробу. Струмінь створюється стисненим повітрям тиском 0,3-0,5 МПа (пневматична дробеструйная очищення) або бистровращающейся лопаток колесами (механічна очистка дробемет).

при пневматичної дрібоструминного очищеннів установках може використовуватися як дріб, так і кварцовий пісок. Однак в останньому випадку утворюється велика кількість пилу, що доходить до 5-10% від маси очищаються деталей. Потрапляючи в легені обслуговуючого персоналу, кварцовий пил викликає професійну хворобу - силікоз. Тому зазначений спосіб застосовується у виняткових випадках. При дробеструйной очищення тиск стисненого повітря має становити 0,5-0,6 МПа. Чавунна дріб виготовляється литтям рідкого чавуну в воду при розпорошення струменя чавуну стисненим повітрям з наступною Відсортування на ситах. Дріб повинна мати структуру білого чавуну з твердістю 500 НВ, її розміри знаходяться в межах 0,5-2 мм. Витрата чавунної дробу становить лише 0,05-0,1% від маси деталей. При очищенні дробом виходить чистіша поверхня деталі, досягається велика продуктивність апаратів і забезпечуються кращі умови праці, ніж при очищенні піском. Для захисту навколишнього атмосфери від пилу дробоструминні установки забезпечуються закритими кожухами з посиленою витяжною вентиляцією. За санітарними нормами гранично допустима концентрація пилу не повинна перевищувати 2 мг / м3. Транспортування дробу в сучасних установках повністю механізована.

Основною частиною пневматичної установки є дробоструминний апарат, який може бути нагнітальним і гравітаційним. Найпростіший однокамерний нагнітальний дробоструминний апарат (рис. 7) являє собою циліндр 4, що має зверху воронку для дробу, що герметично закривається кришкою 5. Внизу циліндр закінчується лійкою, отвір з якої веде в змішувальну камеру 2. Дріб подається поворотною заслінкою 3. У змішувальну камеру через кран 1 підводиться стиснене повітря, який захоплює дріб і транспортує її по гнучкому шлангу 7 і сопла 6 на деталі. Дріб знаходиться під тиском стиснутого повітря аж до закінчення з сопла, що підвищує ефективність дії абразивної струменя. В апараті описаної однокамерною конструкції стиснене повітря необхідно тимчасово відключати при його поповненні дробом.

Індукційний нагрів відбувається в результаті розміщення оброблюваної деталі поблизу провідника змінного електричного струму, який називається індуктором. При проходженні по індуктора струму високої частоти (ТВЧ) створюється електромагнітне поле і, якщо в цьому полі розташовується металевий виріб, то в ньому порушується електрорушійна сила, яка викликає проходження по виробу змінного струму такої ж частоти, як і струм індуктора.

Таким чином наводиться тепловий вплив, яке викликає розігрів вироби. Теплова потужність Р, що виділяється в нагрівається деталі, буде дорівнює:

де К - коефіцієнт, що залежить від конфігурації виробу і величини зазору, що утворюється між поверхнями вироби та індуктора; Iін - сила струму; f - частота струму (Гц); r - питомий електричний опір (Ом · см); m - магнітна проникність (Г / Е) стали.

На процес індукційного нагріву істотно впливає фізичне явище, зване поверхневим (скін) ефектом: ток індукується переважно в поверхневих шарах, і при високих частотах щільність струму в серцевині деталі мала. Глибина нагрівається шару оцінюється за формулою:

Підвищення частоти струму дозволяє концентрувати в невеликому обсязі нагрівається деталі значну потужність. Завдяки цьому реалізується високошвидкісний (до 500 С / сек) нагрів.

Параметри індукційного нагріву

Індукційний нагрів характеризується трьома параметрами: питомою потужністю, тривалістю нагрівання і частотою струму. Питома потужність - це потужність переходить в теплоту на 1 см2 поверхні нагрівається металу (кВт / см2). Від величини питомої потужності залежить швидкість нагріву вироби: чим вона більше, тим швидше здійснюється нагрів.

Тривалість нагріву визначає загальна кількість переданої теплової енергії, а відповідно і досягається температуру. Також важливо враховувати частоту струму, так як від неї залежить глибина загартованого шару. Частота струму і глибина нагрівається шару знаходяться в протилежній залежності (друга формула). Чим вище частота, тим менше нагрівається обсяг металу. Вибираючи величину питомої потужності, тривалість нагріву і частоту струму, можна в широких межах змінювати кінцеві параметри індукційного нагріву - твердість і глибину загартованого шару при загартуванню або нагрівається обсяг при нагріванні під штампування.

На практиці контрольованими параметрами нагріву, є електричні параметри генератора струму (потужність, сила струму, напруга) і тривалість нагрівання. За допомогою пірометрів також може фіксуватися температура нагріву металу. Але частіше не виникає необхідності в постійному контролі температури, так як підбирається оптимальний режим нагріву, який забезпечує постійне якість гарту або нагріву ТВЧ. Оптимальний режим загартування підбирається зміною електричних параметрів. Таким чином здійснюють гарт кількох деталей. Далі деталі піддаються лабораторному аналізу з фіксуванням твердості, мікроструктури, розподілу загартованого шару по глибині і площини. При недогріву в структурі доевтектоїдних сталей спостерігається залишковий ферит; при перегріванні виникає крупноігольчатий мартенсит. Ознаки браку при нагріванні ТВЧ такі ж, як і при класичних технологіях термообробки.

При поверхневому загартуванню ТВЧ нагрів проводиться до більш високої температури, ніж при звичайній об'ємної загартуванню. Це обумовлено двома причинами. По-перше, при дуже великій швидкості нагріву температури критичних точок, при яких відбувається перехід перліту в аустеніт, підвищуються, а по-друге, потрібно, щоб це перетворення встигло завершитися за дуже короткий час нагрівання і витримки.

Незважаючи на те, що нагрів при високочастотної гарту проводиться до більш високої температури, ніж при звичайній, перегріву металу не відбувається. Так відбувається через те, що зерно в стали просто не встигає вирости за дуже короткий проміжок часу. При цьому також варто відзначити, що в порівнянні з об'ємною загартуванням, твердість після гарту ТВЧ виходить вище приблизно на 2 3 одиниці HRC. Це забезпечує більш високу зносостійкість і твердість поверхні деталі.

Переваги гарту струмами високої частоти

• висока продуктивність процесу
• легкість регулювання товщини загартованого шару
• мінімальне викривлення
• майже повна відсутність окалини
• можливість повної автоматизації всього процесу
• можливість розміщення закалочной установки в потоці механічної обробки.

Найбільш часто поверхневої високочастотної гарту піддають деталі, виготовлені з вуглецевої сталі з вмістом 0,4-0,5% С. Ці стали після гарту мають поверхневу твердість HRC 55-60. При більш високому вмісті вуглецю виникає небезпека появи тріщин через різке охолодження. Поряд з вуглецевими застосовуються також низьколеговані хромисті, хромонікелеві, хромокремністие і інші стали.

Устаткування для виконання індукційного загартування (ТВЧ)

Індукційна гарт вимагає спеціального технологічного обладнання, яке включає три основних вузла: джерело живлення - генератор струмів високої частоти, індуктор і пристрій для переміщення деталей у верстаті.

Генератор струмів високої частоти це електричні машини, що розрізняються по фізичних принципах формування в них електричного струму.

1. Електронні пристрої, що працюють за принципом електронних ламп, що перетворюють постійний струм в змінний струм підвищеної частоти - лампові генератори.
2. Електромашинні пристрої, що працюють за принципом наведення електричного струму в провіднику, що переміщаються в магнітному полі, що перетворюють трифазний струм промислової частоти в змінний струм підвищеної частоти - машинні генератори.
3. Напівпровідникові пристрої, що працюють за принципом тиристорних приладів, що перетворюють постійний струм в змінний струм підвищеної частоти - тиристорні перетворювачі (статичні генератори).

Генератори всіх видів розрізняються по частоті і потужності генерується струму

Види генераторів Потужність, кВт Частота, кГц ККД

Лампові 10 - 160 70 - 400 0,5 - 0,7

Машинні 50 - 2500 2,5 - 10 0,7 - 0,8

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

Поверхневу загартування дрібних деталей (голки, контакти, наконечники пружин) здійснюють за допомогою мікроіндукціонних генераторів. Виробляється ними частота сягає 50 МГц, час нагрівання під загартування становить 0,01-0,001 с.

Способи загартування ТВЧ

За виконання нагріву розрізняють індукційну безперервно-послідовну загартування і одночасну загартування.

Безперервно-послідовна гартзастосовується для довгомірних деталей постійного перетину (вали, осі, плоскі поверхні довгомірних виробів). Нагрівається деталь переміщається в індукторі. Ділянка деталі, що знаходиться в визначені момент в зоні впливу індуктора, нагрівається до закалочной температури. На виході з індуктора ділянку потрапляє в зону спрейерной охолодження. Недолік такого способу нагрівання - низька продуктивність процесу. Щоб збільшити товщину закленного шару необхідно збільшити тривалість нагріву за допомогою зниження швидкості переміщення деталі в індукторі. одночасна гартпередбачає одноразовий нагрів всієї зміцнюючих поверхні.

Ефект самоотпуска після гарту

Після завершення нагрівання поверхня охолоджується душем або потоком води безпосередньо в індукторі або в окремому охолодному пристрої. Таке охолодження дозволяє виконувати загартування будь-якої конфігурації. Дозуючи охолодження і змінюючи його тривалість, можна реалізувати ефект самоотпуска в стали. Даний ефект полягає у відведенні тепла, накопиченого при нагріванні в серцевині деталі, до поверхні. Говорячи іншими словами, коли поверхневий шар охолов і зазнав мартенситних перетворення, в підповерхневому шарі ще зберігається певна кількість теплової енергії, температура якої може досягати температури низького відпустки. Після припинення охолодження ця енергія за рахунок різниці температур буде відводитися на поверхню. Таким чином відпадає необхідність в додаткових операціях відпустки стали.

Конструкція і виготовлення індукторів для загартування ТВЧ

Індуктора виготовляють з мідних трубок, через які в процесі нагрівання пропускається вода. Таким чином запобігає перегрів і перегорання індукторів при роботі. Виготовляються також індуктори, що суміщаються з гартівних пристроєм - спрейера: на внутрішній поверхні таких індукторів є отвори, через які на нагріту деталь надходить охолоджуюча рідина.

Для рівномірного нагрівання необхідно виготовляти індуктор таким чином, щоб відстань від індуктора до всіх точок поверхні виробу було однаковим. Зазвичай ця відстань складає 1,5-3 мм. При загартуванню вироби простої форми ця умова легко виконується. Для рівномірності гарту, деталь необхідно переміщати і (або) вирощують в індукторі. Це досягається застосуванням спеціальних пристроїв - центрів або гартівних столів.

Розробка конструкції індуктора передбачає перш за все визначення його форми. При цьому відштовхуються від форми і габаритів гартувати вироби і способу гарту. Крім того, при виготовленні індукторів враховується характер переміщення деталі щодо індуктора. Також враховується економічність і продуктивність нагрівання.

Охолодження деталей може застосовується в трьох варіантах: водяним душированием, водяним потоком, зануренням деталі в гартівну середу. Душове охолодження може здійснюватися як в індуктори-спрейера, так і в спеціальних гартівних камерах. Охолодження потоком дозволяє створювати надмірний тиск близько 1 атм, що сприяє більш рівномірному охолоджуванню деталі. Для забезпечення інтенсивного і рівномірного охолодження необхідно, щоб вода переміщалася по охолоджувальної поверхні зі швидкістю 5-30 м / сек.