Оборудование для закалки твч. Закалка металлов токами высокой частоты

Печь для плавки металлов в домашних условиях может использоваться также для быстрого нагрева металлических элементов, например, при их лужении или формовке. Характеристики работы представленных установок можно подогнать под конкретную задачу, меняя параметры индуктора и выходной сигнал генераторных установок - так можно добиться их максимальной эффективности.

Пайка инструмента

Пайка алюминия

Термообработка

ЗАО «Современная Машиностроительная Компания», официальный представитель CIEA (Италия), предлагает Вашему вниманию генераторы индукционного нагрева (установки ТВЧ) для термообработки изделий из металла.

ТВЧ печи для закалки

С момента своего создания, в конце 60-х годов, фирма CEIA занималась разработкой и изготовлением промышленного оборудования, базирующегося на применении действия эффекта электромагнитного поля. В конце 80-х CEIA представляет первый твёрдотельный индукционный нагреватель на рынке специального оборудования для пайки. В 1995 CEIA представляет ещё одно новшество - модельный ряд приборов для индукционного нагрева «Power Cube Family», в который входят:

• генераторы (мощностью от 2,8 кВт до 100 кВт и рабочими частотами от 25 кГц до 1800 кГц) и нагревательные головы;
• контрольные устройства (контроллер, мастер-контроллер, специальный программатор), обеспечивающие работу в автоматическом или полуавтоматическом режиме;
• оптические пирометры с диапазоном измерения от 80 до 2000 ºС;
• подставки для нагревательных голов, пирометров и устройства подачи припоя .

Компания CIEA полностью осуществляет все стадии производства: от разработки приборов и электронных плат до сборки генераторов. На производстве работает высококвалифицированный персонал. Каждый прибор проходит обязательное электромагнитное тестирование.

ТВЧ печи для закалки от ЗАО “СМК”

Модульная конструкция ТВЧ установок индукционного нагрева позволяет компоновать рабочие станции с различными характеристиками, соответствующими техническим и экономическим потребностям заказчика. Это также даёт возможность менять изначальную комплектацию (при изменении модели генератора или контроллера).

Компания ЗАО «Современная Машиностроительная Компания» имеет опыт автоматизации процессов термической обработки по условиям технического задания Заказчика.

Принцип работы:

Индукционный нагрев осуществляется за счет энергии электромагнитного поля. Петля индуктора необходимого размера подносится к обрабатываемой детали. Средне- и высокочастотный переменный ток (ТВЧ), проходящий по петле, создает на поверхности обрабатываемой детали вихревые токи, величина которых может контролироваться и программироваться. Индукционный нагрев происходит без непосредственного контакта, при этом термообработке подвергаются только металлические части. Индукционный нагрев характеризуется высокой эффективностью переноса энергии без потерь тепла. Глубина проникновения индуцируемых токов напрямую зависит от рабочей частоты генератора (ТВЧ установки индукционного нагрева) - чем выше частота, тем больше плотность тока на поверхности обрабатываемой детали. Понижая рабочую частоту можно увеличить глубину проникновения ТВЧ, т.е. глубину нагрева.

Преимущества:

Генераторы (ТВЧ установки индукционного нагрева) CEIA обладают следующими преимуществами:

• высокая эффективность;
• малые габариты и возможность встраивания в автоматизированные лини;
• локализация области нагрева (благодаря точно подобранному индуктору);
• микропроцессор, обеспечивающий повторяемость рабочего цикла;
• система самодиагностики, подающая сигнал и выключающая установку в случае неполадки;
• возможность выноса в рабочую зону только нагревательной головы с индуктором (соединительный кабель длиной до 4 м);
• оборудование соответствует требованиям электротехнической безопасности и имеет сертификат ISO 9001.

Применение:

Генераторы (ТВЧ установки индукционного нагрева) CIEA применяется для различных видов термообработки всех токопроводящих изделий (металлические сплавы, цветные металлы, углеродные и кремниевые соединения):

• нагрева;
• закалки;
• отжига;
• пайки инструмента, в том числе и алмазного или твердосплавного;
• пайки микросхем, разъёмов, кабелей;
• пайки алюминия.

Токи высокой частоты способны идеально справляться с множеством процессов термообработки металла. Установка ТВЧ отлично подойдет для закалки. На сегодняшний день нет оборудования, которое могло бы на равных конкурировать с индукционным нагревом. Производители стали все больше внимания уделять индукционному оборудованию, приобретая его для обработки изделий и плавки металла.

Чем хороша установка ТВЧ для закалки

Установка ТВЧ – это уникальное оборудование, способное за короткий промежуток времени с высоким качеством обрабатывать металл. Для выполнения каждой функции следует подбирать определенную установку, например для закалки, лучше всего приобрести готовый закалочный комплекс ТВЧ, в котором все уже предназначено для комфортного произведения закалки.
Установка ТВЧ обладает широким перечнем преимуществ, но мы не станем рассматривать все, а остановимся на тех, которые подходят конкретно для произведения ТВЧ закалки.

1. Установка ТВЧ нагревается за короткий промежуток времени, начиная быстро обрабатывать металл. При использовании индукционного нагрева нет необходимости тратить дополнительное время на промежуточные нагревы, так как оборудование сразу же начинает обрабатывать металл.
2. Индукционный нагрев не нуждается в дополнительных технических средствах, например, в применении масла для закалки. Изделие получается качественным, а количество брака в производстве существенно снижается.
3. Установка ТВЧ полностью безопасна для работников предприятия, а также проста в эксплуатации. Нет необходимости нанимать высококвалифицированный персонал, чтобы запустить и запрограммировать оборудование.
4. Токи высокой частоты дают возможность произведения более глубокой закалки, так как тепло под воздействием электромагнитного поля, способно проникать на заданную глубину.

Установка ТВЧ обладает огромным перечнем достоинств, перечислять которые можно долго. Используя нагрев ТВЧ для закалки вы существенно снизите затраты электроэнергии, а также получите возможность увеличить уровень производительности предприятия.

Установка ТВЧ – принцип работы для закалки

Установка ТВЧ работает на основе принципа индукционного нагрева. За основу данного принципа были взяты законы Джоуля-Ленца и Фарадея-Максвелла о преобразовании электрической энергии.
Генератор подает электрическую энергию, которая проходит через индуктор, преобразуясь в мощное электромагнитное поле. Вихревые токи образовавшегося поля начинают действовать и, проникая в металл, трансформируются в тепловую энергию, начиная обрабатывать изделие.

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.

1. Электронные устройства, работающие по принципу электронных ламп, преобразующих постоянный ток в переменный ток повышенной частоты – ламповые генераторы.
2. 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.
3. 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.

Многие ответственные детали работают на истирание и одновременно подвергаются действию ударных нагрузок. Такие детали должны иметь высокую поверхностную твердость, хорошую износостойкость и в то же время не быть хрупкими, т. е. не разрушаться под действием ударов.

Высокая твердость поверхности деталей при сохранении вязкой и прочной сердцевины достигается методом поверхностной закалки.

Из современных методов поверхностной закалки наибольшее распространение в машиностроении находят следующие: закалка при нагреве токами высокой частоты (ТВЧ) ; пламенная закалка и закалка в электролите.

Выбор того или иного метода поверхностной закалки обусловливается технологической и экономической целесообразностью.

Закалка при нагреве токами высокой частоты. Такой метод является одним из самых высокопроизводительных методов поверхностного упрочнения металлов. Открытие этого метода и разработка его технологических основ принадлежит талантливому русскому ученому B. П. Вологдину.

Высокочастотный нагрев основан на следующем явлении. При прохождении переменного электрического тока высокой частоты по медному индуктору вокруг последнего образуется магнитное поле, которое проникает в стальную деталь, находящуюся в индукторе, и индуктирует в ней вихревые токи Фуко. Эти токи и вызывают нагрев металла.

Особенностью нагрева ТВЧ является то, что индуктируемые в стали вихревые токи распределяются по сечению детали не равномерно, а оттесняются к поверхности. Неравномерное распределение вихревых токов приводит к неравномерному ее нагреву: поверхностные слои очень быстро нагреваются до высоких температур, а сердцевина или совсем не нагревается или нагревается незначительно благодаря теплопроводности стали. Толщина слоя, по которому проходит ток, называется глубиной проникновения и обозначается буквой δ.

Толщина слоя в основном зависит от частоты переменного тока, удельного сопротивления металла и магнитной проницаемости. Эту зависимость определяют по формуле

δ = 5,03-10 4 корень из (ρ/μν) мм,

где ρ - удельное электрическое сопротивление, ом мм 2 /м;

μ, - магнитная проницаемость, гс/э;

v - частота, гц.

Из формулы видно, что с увеличением частоты глубина проникновения индукционных токов уменьшается. Ток высокой частоты для индукционного нагрева деталей получают от генераторов.

При выборе частоты тока, кроме нагреваемого слоя, необходимо учитывать форму и размеры детали с тем, чтобы получить высокое качество поверхностной закалки и экономно использовать электрическую энергию высокочастотных установок.

Большое значение для качественного нагрева деталей имеют медные индукторы.

Наиболее распространены индукторы, имеющие с внутренней стороны систему мелких отверстий, через которые подается охлаждающая вода. Такой индуктор является одновременно нагревательным и охлаждающим устройством. Как только помещенная в индуктор деталь нагреется до заданной температуры, ток автоматически отключится и из отверстий индуктора поступит вода и спреером (водяным душем) охладит поверхность детали.

Детали можно также нагревать в индукторах, не имеющих душирующих устройств. В таких индукторах детали после нагрева сбрасываются в закалочный бак.

Закалка ТВЧ в основном производится одновременным и непрерывно-последовательным способами. При одновременном способе закаливаемая деталь вращается внутри неподвижного индуктора, ширина которого равна закаливаемому участку. Когда заданное время нагрева истекает, реле времени отключает ток от генератора, а другое реле, сблокированное с первым, включает подачу воды, которая небольшими, но сильными струями вырывается из отверстий индуктора и охлаждает деталь.

При непрерывно-последовательном способе деталь неподвижна, а вдоль нее перемещается индуктор. В этом случае проипоследовательный нагреве закаливаемого участка детали, после чего участок попадает под струю воды душирующего устройства, расположенного на некотором расстоянии от индуктора.

Плоские детали закаливают в петлевых и зигзагообразных индукторах, а зубчатые колеса с мелким модулем - в кольцевых индукторах одновременным способом. Макроструктура закаленного слоя мелкомодульного зубчатого колеса автомобиля, изготовленного из стали марки ППЗ-55 (сталь пониженной прокаливаемости). Микроструктура закаленного слоя представляет собой мелкоигольчатый мартенсит.

Твердость поверхностного слоя деталей, закаленных при нагреве ТВЧ, получается на 3-4 единицы HRC выше, чем твердость при обычной объемной закалке.

Для повышения прочности сердцевины детали перед закалкой ТВЧподвергают улучшению или нормализации.

Применение нагрева ТВЧ для поверхностной закалки машинных деталей и инструмента позволяет резко сократить продолжительность технологического процесса термической обработки. Кроме того, этот метод дает возможность изготовлять для закалки деталей механизированные и автоматизированные агрегаты, которые устанавливаются в общем потоке механообрабатывающих цехов. В результате этого отпадает необходимость транспортирования деталей в специальные термические цехи и обеспечивается ритмичная работа поточных линий и сборочных конвейеров.

Пламенная поверхностная закалка. Этот метод заключается в нагреве поверхности стальных деталей ацетилено-кислородным пламенем до температуры, превышающей на 50-60°С верхнюю критическую точку A C 3 , с последующим быстрым охлаждением водяным душем.

Сущность процесса пламенной закалки состоит в том, что тепло, подводимое газовым пламенем от горелки к закаливаемой детали, концентрируется на ее поверхности и значительно превышает количество тепла, распространяемого в глубь металла. В результате такого температурного поля поверхность детали сначала быстро нагревается до температуры закалки, затем охлаждается, а сердцевина детали практически остается незакаленной и после охлаждения не изменяет свою структуру и твердость.

Пламенную закалку применяют для упрочнения и повышения износостойкости таких крупных и тяжелых стальных деталей, как коленчатые валы механических прессов, крупномодульные зубчатые колеса, зубья ковшей экскаваторов и т. п. Кроме стальных деталей, пламенной закалке подвергают детали, изготовленные из серого и перлитного чугуна, например направляющие станин металлорежущих станков.

Пламенная закалка разделяется на четыре вида:

а) последовательную, когда закалочная горелка с охлаждающей жидкостью перемещается вдоль, поверхности обрабатываемой неподвижной детали;

б) закалку с вращением, при которой горелка с охлаждающей жидкостью остается неподвижной, а закаливаемая деталь вращается;

в) последовательную с вращением детали, когда деталь непрерывно вращается и вдоль нее перемещается закалочная горелка с охлаждающей жидкостью;

г) местную, при которой неподвижная деталь нагревается до заданной температуры закалки неподвижной горелкой, после чего охлаждается струей воды.

Способ пламенной закалки катка, который вращается с определенной скоростью, а горелка остается неподвижной. Температура нагрева контролируется при помощи миллископа.

В зависимости от назначения детали глубина закаленного слоя обычно берется равной 2,5-4,5 мм.

Основными факторами, влияющими на глубину закалки и структуру закаливаемой стали, являются: скорость передвижения закалочной горелки относительно закаливаемой детали или детали относительно горелки; скорость выхода газов и температура пламени.

Выбор закалочных машин зависит от формы деталей, способа закалки и заданного количества деталей. Если нужно закаливать разнообразные по форме и размерам детали и в небольших количествах, то целесообразнее применять универсальные закалочные машины. На заводах обычно используют специальные установки и токарные станки.

Для закалки применяют два вида горелок: модульные с модулем от М10 и до МЗ0 и многопламенные со сменными наконечниками, имеющими ширину пламени от 25 до 85 мм . Конструктивно горелки устроены таким образом, что отверстия для газового пламени и охлаждающей воды расположены в один ряд, параллельно. Вода в горелки подается от водопроводной сети и служит одновременно для закалки деталей и охлаждения мундштука.

В качестве горючих газов применяются ацетилен и кислород.

После пламенной закалки микроструктура в различных зонах детали различная. Закаленный слой получает высокую твердость и остается чистым, без следов окисления и обезуглероживания.

Переход структуры от поверхности детали к сердцевине происходит плавно, что имеет большое значение для повышения эксплуатационной стойкости деталей и полностью устраняет вредные явления - растрескивание и отслоение закаленных слоев металла.

Твердость изменяется в соответствии со структурой закаленного слоя. На поверхности детали она равна 56-57 HRC , а затем понижается до твердости, которую имела деталь до поверхностной закалки. Для обеспечения высокого качества закалки, получения равномерной твердости и повышенной прочности сердцевины литые и кованые детали перед пламенной закалкой подвергаются отжигу или нормализации в соответствии с обыкновенными режимами.

Поверхностная за калка в электролите. Сущность этого явления состоит в том, что если постоянный электрический ток пропускать через электролит, то на катоде образуется тонкий слои, состоящий измельчайших пузырьков водорода. Благодаря плохой электрической проводимости водорода сопротивление прохождению электрического тока сильно возрастает и катод (деталь) нагревается до высокой температуры, после чего закаливается. В качестве электролита обычно применяют водный 5-10-процентный раствор кальцинированной соды.

Процесс закалки несложен и заключается в следующем. Закаливаемую деталь опускают в электролит и присоединяют к отрицательному полюсу генератора постоянного тока напряжением 200-220 в и плотностью 3- 4 а/см 2 , в результате чего она становится катодом. В зависимости от того, какая часть детали подвергается поверхностной закалке, деталь погружают на определенную глубину. Деталь нагревается за несколько секунд, и ток выключают. Охлаждающей средой является тот же электролит. Итак, ванна с электролитом служит и нагревательной печью и закалочным баком.