Физические основы высокочастотной термообработки

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ДГТУ)

Методические указания

К лабораторному практикуму

По курсу

«УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ

КОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ ПОТОКАМИ ЭНЕРГИИ»

Ростов-на-Дону

Лабораторная работа №1

ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

Цель работы: ознакомление с возможностями термической обработки сталей и сплавов с нагревом токами высокой частоты (т.в.ч.) для получения упрочненных слоев, изучение их структуры и свойств.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ

В инженерной и исследовательской практике часто приходится решать задачи поверхностного упрочнения сталей и сплавов для повышения твердости и износостойкости изделия при сохранении пластичной и вязкой сердцевины. Этого можно достигнуть путем химико-термической обработки (например, цементации). После закалки такого изделия поверхностный слой получает структуру мартенсита, а сердцевина не закаливается. Поскольку процесс насыщения поверхности стали углеродом (например, до 0,8%) протекает очень медленно, требует громоздкого оборудования, больших затрат энергии для нагрева всей массы изделия и поддержания его температуры в течение продолжительного времени, то очевидно, насколько дорогостоящей оказывается химико-термическая обработка.

В методе поверхностной закалки стали при нагреве т.в.ч. в отличие от обычного (печного) нагрева тепло генерируется непосредственно в самом изделии, в слое металла, подлежащем закалке, то есть в основном на тех участках детали, которые подвержены воздействию переменного магнитного поля. Это обеспечивается так называемым скин-эффектом (поверхностным эффектом), сущность которого сводится к тому, что плотность переменного тока, протекающего через проводник, значительно выше на поверхности, чем во внутренних слоях проводника.

Рассмотрим принципиальную схему нагрева (рисунок 1). Переменный электрический ток подводится к индуктору 2. Закаливае-

мую деталь 1 помещают в индуктор. Внутри индуктора возникает переменное магнитное поле, индуктирующее в поверхности детали

электродвижущую силу, под действием которой в металле возникают электрические вихревые токи (токи Фуко), вызывающие нагрев детали до высокой температуры.

	Тепло выделяется на тех участках детали, которые подвергаются воздействию переменного магнитного поля и электрического тока. Это обеспечивает высокую скорость нагрева и позволяет производить местный нагрев. После нагрева на разогретую поверхность из спрейера выбрызгивается
Рисунок 1 - Схема индукционного нагрева: 1 - деталь; 2 - индуктор

закалочная жидкость (спрейером может служить сам индуктор в виде полой трубки с отверстиями).

Таким образом, деталь нагревается на определенную глубину, а сердцевина незначительно или вообще не нагревается. Основными параметрами, влияющими на глубину проникновения тока, являются его частота и магнитные свойства нагреваемой детали.

Глубина проникновения тока в металле (h) определяется по формуле:

где r - удельное электросопротивление, m - магнитная проницаемость, f– частота тока, Гц.

Как видно из таблицы 1, с ростом частоты тока глубина его проникновения уменьшается, а при потере поверхностным слоем детали ферромагнитных свойств значительно увеличивается. Последнее происходит, когда магнитная проницаемость m приближается по величине к единице, что имеет место при нагреве в случае образования неферромагнитной фазы, например, аустенита из перлита выше критической точки А₁, либо выше точки Кюри феррита (768^оС).

Таблица 1.Глубина проникновения тока в деталь из стали 45

Частота тока, Гц	Глубина проникновения тока, мм
при 20оС и m=50	при 850оС и m=1
	4,5
	0,64
	0,35	6,2
	0,12	2,1
	0,032	0,55

	С некоторыми допущениями процесс индукционного нагрева можно представить в виде графика, изображенного на рисунке 2. При высокочастотном нагреве структурные превращения, связанные с аустенитизацией стали, которая определяет предзакалочное состояние или готовность стали к закалке, не успевают завершиться полностью при температурах выше АС3 на 30-50оС (для доэвтектоидных сталей) и для осуществления
Рисунок 2 - График индукционного нагрева

полной закалки температуру нагрева приходится повышать. При этом степень влияния скорости нагрева на температуру закалки зависит от фазового состава, дисперсности и характера распределения фаз в исходной структуре стали.

При определении значений оптимальных параметров высокочастотной термообработки пользуются диаграммами оптимальных режимов закалки обрабатываемого материала.

Они представляют зависимость температуры закалки от скорости нагрева в области фазовых превращений и состоят из трех температурных интервалов: области недогрева, области оптимальных температур закалки и области перегрева. На рисунке 3 представлены такие диаграммы для конструкционной стали 50.

Зная скорость нагрева поверхностного слоя детали выше перегиба на термической кривой, легко определить оптимальную температуру закалки.

Рисунок 3 - Зависимость интервала оптимальных температур закалки стали 50 от скорости нагрева и исходной структуры

Диаграммы такого типа построены и имеются в справочной ли-

тературе для большинства материалов, подвергаемых высокочастотной термообработке в обширном интервале скоростей нагрева. В ряде случаев на диаграммах указывается твердость, прочность и структура, которые имеет материал после высокочастотной термообработки в той или иной области температур и скоростей нагрева.

Результаты высокочастотной закалки зависят от выбора марки стали, ее предварительной обработки, режимов нагрева и охлаждения при закалке и последующем отпуске, если таковой проводится. По сравнению с закалкой после печного нагрева высокочастотная закалка придает материалу более высокую твердость и прочность при относительно меньшем снижении ударной вязкости.

Рисунок 4 - Микроструктура упрочненного слоя на стали 40Х после индукционного нагрева (поперечный шлиф): 1 – исходный металл; 2 – переходная зона; 3 – упрочненный слой (х60)

Это связано с неоднородностью состава аустенита, в результате чего отдельные участки могут быть обогащены углеродом выше средней концентрации, а после закалки иметь повышенную твердость. Вместе с тем при индукционном нагреве обеспечивается более мелкое зерно аустенита 12-14 балла (в печи – 7-8 балла), что

дает возможность получить более благоприятное сочетание проч-

ностных и пластических свойств.

Индукционная закалка упрочняет стали на глубину 1-6 мм. При этом на поперечных шлифах закаленный слой имеет пониженную травимость (рисунок 4) Повышается усталостная прочность изделий вследствие формирования в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия.

При работе изделия остаточные напряжения сжатия ослабляют растягивающие (разрушающие) напряжения, возникающие от внешних сил на поверхности детали.

а.	б.
Рисунок 5 - Микроструктура зоны индукционной закалки (а) и исходной объемно-закаленной стали 40Х (б) (х500)

В отличие от структуры закалки после печного нагрева, при индукционной закалке, проведенной по оптимальным режимам, сталь имеет строение мелкоигольчатого или чаще скрытокристал-

лического мартенсита (рисунок 5,б). Он характеризуется меньшей хрупкостью, повышенными прочностью, твердостью и износостойкостью.

Высокочастотный нагрев изделий производят в индукторах, изготовленных из медных трубок, по которым для охлаждения пропускают воду. Охлаждение детали обычно душевое (спрейерное).

Индуктор получает питание от специальных высокочастотных генераторов с электромашинным или ламповым (полупроводниковым) преобразователем частоты.

В зависимости от размера, формы детали, предъявляемых к ней требований индукционную закалку производят следующими основными способами: одновременным нагревом всей поверхности детали с последующей закалкой, непрерывно-последовательным, когда поверхность длинномерной детали поочередно термообрабатывается при перемещении ее в индукторе и последовательным.

Для этого высокочастотный генератор кратковременно включают и поверхностный слой нагревается до необходимой температуры отпуска. Следует отметить, что, как и при нагреве под закалку, с увеличением скорости нагрева температурный интервал превращений при отпуске смещается в высокотемпературную область.

При индукционной закалке часто применяют самоотпуск непосредственно после закалки. В этом случае охлаждение прерывается с таким расчетом, чтобы от сохранившегося в детали тепла произошел отпуск закаленного слоя детали. Как и при электроотпуске, температура самоотпуска обычно превышает температуру отпуска в печи.