20.07.2018
В ходе возведения частного жилого здания и разработке интерьера, необходимо принимать во внимание все требования, которые...


20.07.2018
Биметаллическими радиаторами называют батареи, созданные из нескольких сплавов: стального и алюминиевого. Сталь применяют с целью...


19.07.2018
Гибка металла, в особенности, листового, считается технологичной процедурой, в ходе которой из прокатного листа можно получить ту...


18.07.2018
Металлические изделия самой разной функциональности для краткости называются метизы. Группа охватывает широчайший ассортимент,...


18.07.2018
Сегодня на рынке выбор покрытий для пола является попросту колоссальным, среди самых востребованных вариантов следует отметить...


17.07.2018
Инверсионная крыша является «кровлей наоборот». Если говорить простыми словами, то основным её отличием, сравнивая со стандартной...



Характеристика и особенности процесса закалки стали с нагревом токами высокой частоты

01.06.2018
Нагрев стали в этом процессе происходит в результате теплового воздействия токов высокой частоты, индуктируемых в изделие, подлежащее закалке. Благодаря явлению скин-эффекта индуктируемый ток оттесняется к поверхности изделия (периферии проводника), в результате чего в изделии нагревается его поверхностный слой. Толщина нагреваемого слоя, характеризуемая глубиной проникновения тока, зависит от частоты тока и свойств нагреваемой стали: ее электросопротивления и магнитной проницаемости.

Чем выше частота тока, тем сильнее проявляется воздействие скин-эффекта. При изменении частоты тока от 500 до 20 кгц можно увеличить толщину нагреваемого слоя в довольно широких пределах, примерно от 1 до 10 мм. При увеличении электросопротивления стали или при понижении ее магнитной проницаемости толщина нагреваемого слоя возрастает пропорционально квадратному корню значений этих характеристик.

Электросопротивление стали при ее нагреве увеличивается; например, в стали У10 оно составляет 0,2 ом*мм2/м при комнатной температуре и 1,3 ом*мм2/м при температуре 800°, возрастая, следовательно, в 6—7 раз.

Магнитная проницаемость стали при нагреве до температуры магнитного превращения, т. е. до точки Кюри, несколько снижается, а при переходе через точку Кюри скачкообразно падает.

Таким образом процесс нагрева токами высокой частоты происходит следующим образом. В первый момент, определяемый долями секунды, нагревается самый тонкий поверхностный слой стали. При достижении точки Кюри магнитная проницаемость этого слоя падает, а его электросопротивление при нагреве возрастает; тогда увеличивается глубина проникновения тока и начинает нагреваться нижележащий слой стали, а скорость нагрева поверхностного слоя уменьшается ввиду переноса максимальной плотности тока в более глубокий слой. После достижения этим слоем точки Кюри начинает нагреваться еще более глубокий слой и т. д.

С повышением температуры до 800—850° и при индуктировании токов частотой 200—300 кгц толщина нагреваемого слоя, например, в стали ХВГ, увеличивается примерно в 30 раз. На фиг. 97 приведена диаграмма, показывающая зависимость глубины проникновения тока от температуры нагрева стали ХВГ по данным М.Г. Лозинского.

Для образования закаленного слоя толщиной 1 мм достаточна продолжительность нагрева токами высокой частоты в течение 1 сек. Однако такой ускоренный нагрев не является желательным, так как он создает резкий переход между закаленной поверхностью и незакаленной сердцевиной. Получение качественного слоя требует более длительного нагрева, обеспечивающего создание переходного слоя, нагревающегося вследствие передачи тепла из поверхностного слоя. Продолжительность нагрева должна составлять несколько секунд и зависит от способа закалки, длины инструмента и требуемой толщины слоя.

Таким образом нагрев токами высокой частоты создает повышенную твердость, прочность и износоустойчивость в поверхностном слое инструмента, в то время как сердцевина его не закаливается и остается более вязкой. Путем изменения частоты тока, продолжительности и температуры нагрева можно получить в нагреваемом инструменте требуемую глубину проникновения тока, а следовательно, и толщину закаленного слоя.

В этом отношении способ нагрева токами высокой частоты обладает преимуществом по сравнению с другими способами обработки, создающими высокую твердость в поверхностном слое: несквозной закалкой и химико-термической обработкой.

Несквозная закалка, заключающаяся, например, в кратковременном нагреве инструмента в свинцовой ванне, создает твердый закаленный поверхностный слой и сохраняет более вязкую незакаленную сердцевину. Однако этот способ пригоден, главным образом, для закалки углеродистой стали, а не легированной, обладающей более глубокой прокаливаемостью. Кроме того, при применении несквозной закалки нельзя получить закаленного слоя, имеющего требуемую и заранее установленную толщину, одинаковую для всех инструментов данного типа, так как глубина закалки может значительно изменяться в зависимости от свойств плавки (балла по прокаливаемости) и от колебаний в продолжительности выдержки и в температуре ванны.

Химико-термическая обработка (цементация и нитроцементация), создающая твердый поверхностный слой и применяемая, главным образом, для обработки стали с низким или средним содержанием углерода, не позволяет получить качественный слой толщиной более 1 мм вследствие значительной диффузии в него углерода и азота, вызывающей поверхностную хрупкость. Кроме того, высокочастотная закалка сообщает более плавный переход от закаленной поверхности к мягкой сердцевине, чем химикотермическая обработка.

Характерной особенностью высокочастотной закалки является допустимость нагрева стали значительно выше ее критической точки без опасности перегрева. Опыты, выполненные И.Н. Кидиным, показали, что, например, сталь У10 сохраняет структуру скрытокристаллического мартенсита даже после нагрева до 920°, и только в случае дальнейшего повышения температуры нагрева в структуре стали У10 образуются различимые в микроскопе при нормальном увеличении иглы мартенсита. На фиг. 98—101 приведены, по данным И.Н. Кидина, микрофотографии структуры стали У10 после нагрева токами высокой частоты до различных температур. В то же время при применении обычного режима закалки нагрев стали У10 в печи или в ванне выше 800—820° приводит к образованию игольчатого мартенсита и создает перегрев стали. Причины такого воздействия нагрева токами высокой частоты на изменение структуры стали в достаточной степени еще не выяснены. Можно допустить, что они в первую очередь связаны с кратковременностью нахождения стали в зоне высоких температур, исчисляемой для каждого слоя долями секунды, в результате чего за время такой краткой выдержки в стали проходит процесс образования аустенита и частичного растворения в нем карбидоз (цементита) и не успевает пройти процесс роста зерна.

Инструментальная сталь, получившая после правильного выполнения нагрева токами высокой частоты структу ру скрытокристаллического мартенсита, показывает более высокую твердость, обычно на 3—5 единиц по Роквеллу выше твердости стали, нагревавшейся в печи или в ванне. Это связано, вероятно, с тем, что тонкий поверхностный слой охлаждается ускоренно за счет теплоотдачи не только в наружную среду, но и во внутренние холодные слои металла. На фиг. 102 приведена, по данным И. Н. Кидина, кривая изменения твердости стали У10 в зависимости от температуры и способа нагрева при закалке.

Охлаждение инструмента после нагрева токами высокой частоты можно производить в воде или в эмульсии, так как образующиеся в стали остаточные напряжения менее значительны, чем при обычном способе закалки. Для снятия этих напряжений необходим немедленный отпуск инструмента после закалки. Однако температуру отпуска можно понизить на 20—30° по сравнению с применяемыми после обычной закалки и указанными ранее без увеличения при этом продолжительности отпуска, что позволяет сохранить в инструменте более высокую твердость.

Испытания М.Г. Лозинского показали, что метчики, развертки и зенкеры, нагревавшиеся токами высокой частоты, имели в работе более высокую стойкость, чем инструменты, нагревавшиеся при закалке в ванне.

И. Н. Кидин освоил нагрев вытяжных пуансонов токами высокой частоты; они также показали в эксплоатации более высокую стойкость, чем пуансоны, прошедшие закалку с нагревом в свинцовой ванне.
Характеристика и особенности процесса закалки стали с нагревом токами высокой частоты

Нагрев токами высокой частоты по сравнению с обычной закалкой уменьшает деформацию инструмента, так как он прогревается на небольшую глубину. Однако при закалке длинного и тонкого инструмента необходимо подбирать рациональный режим нагрева для того, чтобы максимально уменьшить деформацию. М.Г. Лозинский указывает, например, что при закалке на глубину 2 мм последовательно каждой плоскости ножа длиной 2000 мм, толщиной 25 мм и высотой 100 мм искривление его (стрела прогиба) составило 12 мм, а при закалке такого же ножа, но с одновременным нагревом с двух противоположных плоскостей величина деформации не превысила 0,1 мм.

Возможность снизить деформации при закалке и получить в результате нагрева токами высокой частоты инструмент с заданной толщиной и повышенной твердостью закаленного слоя позволяет эффективно применять этот способ для обработки различных видов инструмента:

а) метчиков, разверток, зенкеров и тому подобного инструмента, который для сохранения вязкой сердцевины изготовляют способом несквозной закалки с нагревом в жидкой ванне;

б) некоторых типов фрези плашек, изготовляемых из легированной стали, от которых требуется сочетание повышенной вязкости и высокой твердости;

в) штампового инструмента для холодной вытяжки и вырубки, если он должен иметь У10 высокую износоустойчивость при повышенной вязкости;

г) различных типов режущего и измерительного инструмента (в частности, резьбовых калибров), которые должны иметь минимальную деформацию при закалке.

Закалка выполняется в специальных высокочастотных установках. Ввиду быстроты процесса высокочастотной закалки и возможности его автоматизации, производительность установки весьма значительная. Поэтому применение способа нагрева инструмента токами высокой частоты наиболее рационально для обработки однотипной массовой продукции.