6.1 Выбор режима нагрева для индукционной поверхностной закалки

Особенностью высокочастотной поверхностной закалки является чрезвычайно высокая скорость нагрева, так как энергия, необходимая для разогрева, индуктируется непосредственно в поверхностном слое закаливаемой детали и в связи с этим происходят своеобразные фазовые превращения.

Особенности фазовых превращений при индукционном нагреве сводятся к следующему:

а) превращения протекают практически одновременно во всем слое, соответствую­щем глубине проникновения тока, так как во всем слое к моменту закалки температу­ра примерно одинакова. В результате уменьшается опасность перегрева и во всем за­каленном слое создаются почти одинаковая структура и соответственно одинаковые свойства стали.

б) при большой скорости нагрева фазовые превращения, кинетика которых определя­ется рядом диффузионных процессов, сме­щаются в сторону более высоких темпера­тур. При этом возможно смещение оконча­ния перлито – аустенитного превращения до температур, лежащих выше температуры полиморфного превращения структурно сво­бодного феррита. С увеличением скорости нагре­ва оптимальная температура закалки повышается. Скоростной индукционный нагрев создает также условия, при которых по­следующее быстрое охлаждение способст­вует появлению структуры мелкоигольча­того мартенсита. Несмотря на высокую температуру нагрева, рост зерна не наблю­дается, так как продолжительность нагрева и выдержка очень малы.

в) Перлито – аустенитное превращение про­исходит не при одной неизменной темпе­ратуре Ас₁, а в интервале температур, ве­личина которого тем больше, чем выше скорость нагрева. При этом начало прев­ращений отмечается при температуре, на­много превышающей температуру Ас₁ ког­да создаются достаточные условия для возникновения и устойчивого существования зародышей аустенита.

Температура закалки зависит от химического состава стали, исходной структуры и скорости нагрева и превышает температуру критической точки Ас₃ на 50-150⁰С и выше. Повышение температуры увеличивает подвижность атомови ускоряет процесс превращения исходных структур в аустенит. При исходной структуре состоящей из тонкопластинчатого перлита или сорбита, процессы превращений протекают быстро, а структура грубопластинчатого и зернистого перлита требует на превращение большего времени.

С увеличением скорости нагрева процессы превращения смещаются в область более высоких температур. Легированные стали обладают меньшей теплопроводностью по сравнению с углеродистой сталью, поэтому нагрев их под поверхностную закалку необходимо производить с меньшими скоростями.

Легирующие элементы влияют на температурный интервал превращений, структуру и фазовые превращения при нагреве. Например никель и марганец снижают критическую точку Ас1, а хром замедляет процессы фазовых превращений.

При разработке режима надо определить оптимальную температуру нагрева. Для каждой стали имеется, в зависимости от скорости нагрева, некоторый интервал температуры, закалка от которой обеспечивает удовлетворительную структуру матренсита.

Температура закалки в значительной мере зависит от размера зерна, в первую очередь от размера зерна структурно свободного феррита. Практика показывает, что для получения оптимальных структур, твёрдости и механических свойств закаленного слоя исходный размер зерна феррита не должен быть больше 5-го балла.

Фактором, характеризующим режим высокочастотного нагрева, кроме температуры является скорость нагрева.

Получить хорошую структуру при высокой температуре возможно лишь в случае большой скорости нагрева. При малой скорости нагрева (30-45⁰С в сек) нагрев приводит к структуре крупноигольчатого мартенсита и пониженной твердости. При увеличении скорости нагрева от 45-200⁰С в секунду игольчатость уменьшается, а при весьма большой скорости (475⁰С в сек.) игольчатость пропадает, получается структура скрытоигольчатого мартенсита. Таким образом целесообразно выбрать такую скорость нагрева, которая обеспечит структуру мелкоигольчатого или скрытоигольчатого мартенсита, так как эти структуры дают максимальную твердость.

Скорость нагрева можно определить по формуле:

V=T/τ (6.1)

где Т- температура нагрева, С

τ – время нагрева до конечной температуры, сек;

Время нагрева зависит от размера нагреваемой детали (длинна, масса, диаметр, количество зубьев). Так как размеры деталей специфицированной программы очень разнообразны, то время нагрева поверхности равное ширине индуктора колеблется в широком интервале. В таблице 6.1 приведено время нагрева поверхностей цилиндрических деталей различных размеров.

Таблица - 6.1 Время нагрева поверхностей цилиндрических деталей [6]

Наименование детали	Диаметр, мм	Глубина закаленного слоя, мм	Время нагрева, сек.
Ось	15	4-5	5
Ступица	710	4-5	17
Вал шлицевой	72	4-5	9
Вал	110	4-5	11
Ось	30	4-5	6
Ось	40	4-5	7
Ось крюка	110	4-5	11
Вал	95	4-5	10
Винт	250	4-5	14
Ролик	30	4-5	6
Ось	25	4-5	5.3

Время нагрева зубчатых деталей будет зависеть от ширины индуктирующего провода, количества и размеров зубьев.

В таблице 6.2 приведено время нагрева поверхностей зубчатых деталей различных размеров.

Таблица – 6.2 Время нагрева поверхностей зубчатых деталей [6]

Наименование деталей	Глубина закаленного слоя, мм	Время нагрева, сек.
Вал-шестерня m=16, z=15	3-5	8
Колесо зубчатое m=10, z=75	3-5	7.5
Шестерня (z=18,m=6)	3-5	7
Вал-шестерня m=6, z=24	3-5	5
Колесо зубчатое m=6, z=76	3-5	4
Вал-шестерня m=20, z=15	3-5	7.4
Вал-шестерня m=4, z=20	3-5	6
Вал-шестерня m=6, z=14	3-5	7
Зубчатое колесо (z=34,m=8)	3-5	4
Втулка зубчатая	3-5	3.5
Втулка зубчатая	3-5	2.5
Обойма зубчатая	3-5	3
Вал-шестерня m=16, z=8	3-5	8
Втулка зубчатая	3-5	2.5
Шестерня (z=16,m=6)	3-5	6.5
Зубчатое колесо (z=14,m=4)	3-5	4

Зная время нагрева детали, температуру нагрева, можно определить скорость нагрева для каждого конкретного изделия специфицированной программы.

Далее следует выбор частоты тока. Частоту тока выбирают в соответствии с размерами изделия и глубиной закаленного слоя.

Частоту тока можно найти по формуле:

Fопт=60000/х² (6.2)

где Fопт – оптимальная частота тока для нагрева под закалку, Гц;

х² - заданная глубина закаленного слоя, мм

Пусть, глубина закаленного слоя равна 5 мм, тогда частота тока равна:

Fопт=60000/5²

Fопт=2400Гц;

Согласно расчету, частота, обеспечивающая требуемую глубину закаленного слоя – 2400-2500 Гц.