Главная  Применение термической обработки 

[ 0 ] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14]

применение термической обработки металлов при индукционном нагреве обусловлено простотой технологии, высоким качеством термически обработанных изделий, возможностью автоматизации процессов и высокими эргономическими свойствами [3].

Повышение цен на газ и нефть, стремление использовать эти материалы в качестве сырья для химической промышленности приводят во всем мире к тенденции расширения применения индукционного нагрева. Такая тенденция наблюдается и в нашей стране. Поэтому внимание к термической обработке с индукционным нагревом усиливается.

В то же время применение индукционного метода вследствие специфики передачи энергии в нагреваемое изделие вносят определенные особенности в поведение стали и сплавов при нагреве и последующем охлаждении. Быстрота нагрева, свойственная этому методу, отражается на кинетике фазовых превращений в сплавах, и, как правило, к концу иагрева структурное состояние сплава не соответствует равновесному состоянию. Это предъявляет особые требования к условиям охлаждения. При отпуске и нагреве наклепанного металла рекриеталлизационные процессы смещаются в область более высоких температур. Неравномерность нагрева и охлаждения при скоростных режимах вносит специфические особенности в распределение внутренних остаточных напряжений. Названные и другие свойства термической обработки с применением индукционного нагрева требуют изучения как особенностей кинетики фазовых превращений, так и тех возможностей, которые заложены в этот прогрессивный метод.

Брошюра написана по материалам многолетних исследований и разработок, выполненных по ВНИИ ТВЧ и внедренных на ряде ведущих заводов страны. При написании брошюры авторы наряду с материалами собственных исследований использовали данные ведущих специалистов в обласуи электротермии Е. П. Евангуловой, М. М. Замятнина, И. Н. Кидина, А. Е. Слухоцкого, В. П. Сучкоусова, К. 3. Шепеляковского и др.



ГлаЬа 1. ОСОБЕННОСТИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ С ИНДУКЦИОННЫМ НАГРЕВОМ

1.1. ОСОБЕННОСТИ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Особенность индукционного нагрева металлов - генерирование тепловой энергии непосредственно в нагреваемом изделии. Это вносит определенные коррективы в кинетику нарастания температуры поверхности и в распределение температуры по сечению изделия.

При нагреве в печах или жидких средах режим нагрева характеризуется одним фактором - температурой. При конечной температуре дается выдержка для прогрева изделия по сечению и завершения фазовых превращений во всем объеме. Обычно температура нагреваемой среды мало отличается от требуемой температуры изделия, поэтому передача энергии в металл происходит медленно и нагрев оказывается сравнительно длительным. Создаются условия, близкие к равновесным, и для определения температурного режима можно пользоваться диаграммами состояния сплавов. $

При индукционном методе условия нагрева отличаются от равновесных. Можно достигнуть очень больших скоростей нарастания температуры. В частности, при поверхностной закалке применяют режимы, обеспечивающие нагрев до требуемой температуры за время от нескольких секуид до долей секунды. В таких условиях диаграммой состояния сплавов железо - углерод (рис. 1.1) можно пользоваться только с учетом влияния скорости нагрева на кинетику фазовых превращений (см. п. 1.2).

Скорость нагрева стальных деталей при использовании индукционного нагрева не остается постоянной во всем интервале температур. Она изменяется вследствие изменения удельного электросопротивления р и магнитной проницаемости р.. Удельное электросопротивление в процессе нагрева под закалку возрастает в пять-шесть раз; магнитная проницаемость у ферромагнитных материалов при достижении точки Кюри уменьшается в 10-20 раз и становится равной единице. Одновременное изменение величин р и fi. приводит, как правило, к снижению скорости нагрева в области выше точки Кюри в три-четыре раза. Чтобы избежать этого и изменить кинетику нагрева в желаемом направлении, регулируют или стабилизируют электрический режим в процессе нагрева. При нагреве неферромагнитных материалов, у которых в холодном состоянии р.= 1, скорость нарастания температуры более равномерна и перегибов на кривой нагрева быть не должно.

Кроме изменения физических свойств на процесс нагрева влияют фазовые превращения, протекающие обычно с поглощением тепла. В период активного протекания превращения возможна даже полная остановка нарастания температуры, как это наблюдается при нагреве эвтектоидной стали при достижен1цтемпературы Aci.

Может играть роль также тепловое излучение, которое при температурах, близких к закалочным, ощущается достаточно сильно и должно

Аусп

юнит

Aycmt hqe/it

Humi-нтит

-И -

Р-г-Ферр +пвр/1

ит+ .

Цеме f-m

нтит+

СОЛ 0,8 iZ 1,6 Содертание С, %

Рис. 1.1. Диаграмма состояния сплавов железо - углерод при нагреве

»

учитываться как при разработке конструкции нагревательных устройств, так и при определении требуемой для нагрева электрической мощности. Тепловое излучение проявляетсявбольшой мере при сквозном индукционном нагреве, при котором применяют сравнительно низкие скорости нагрева.

На распределение температуры по сечению нагреваемого изделия при индукционном нагреве влияют несколько факторов: глубина проникновения тока в металл, его теплопроводность, режим нагрева. Глубина проникновения тока, в свою очередь, зависит от физических свойств металла и частоты тока.

Физические свойства изменяются с повышением температуры. Если металл ферромагнитный (в частности, углеродистая и малолегированная стали), то глубина проникновения тока невелика (табл. 1.1). Соответ-ствеино и температура будет возрастать в первый период нагрева только в тонком поверхностном слое (рис. 1.2). Когда температура на поверхности достигнет точки Кюри и магнитная проницаемость стали станет близкой к единице, то количество теплоты, выделяющейся в этом слое, уменьшается и повышение температуры замедляется. Значительная часть энергии будет выделяться в более глубоких слоях, еще не потерявших ферромагнетизма.

Глубина проникновения тока будет постепенно увеличиваться до тех Tiop, пока не достигнет значения, при котором вся подводимая энергия будет поглощаться в горячем неферромагнитном слое, который в несколько раз больше глубины проникновения тока в холодный металл. Кривая

Таблица 1.1. Глубина проникновения тока в металл при разных частотах, мм

Частота, Гц

Медь

Сталь при 15 °С

Сталь при 800 °С

Титан

при 15 °С

(ц=10-=-40)

(И=1)

при 1200 °С

• 10,0

10,0-5,0

70,8

3,0-1,5

22,0

2 500

1,5-0,7

10,0

1,33

4 000

1,1-0,5

1,05

10 000

0,70-0,35

0,665

50 ООО

0,30-0,15

0,3 :

250 ООО

0,13

0,15-0,07

450 ООО

0,10

0,11-0,05



Рис. 1.2. Распределение температуры по сечению изделия при индукционном нагреве:

-точка Кюри, г,„ - температура закалки; /„ - температура поверхности; \\ -- глубина проникновения тока радиочастоты в горячий

мгталл; \

то же тока звуковой частоты;

/ - начальный период; 2 нагрев током радиочастоты после нагрева до Д; 3 - то же после нагрева до заданной глубины х; 4 ~ нагрев током звуковой частоты до х

гХ-i \-

\ 1 \ \ 1 \

\ \

\ \

\ 1 \

w \ \.

\ \ \

\ \

1 1 \

1 [ \

i 1

\ \ \

1 1

\ \\

1 1

\ \

1 i

T»-

распределения индукционного тока по глубине, а значит, и кривая распределения температуры по сечению тела будут иметь перегиб на границах глубины проникновения тока в горячий металл (рис. 1.2). Чем выше частота тока, тем меньше глубина проникновения тока в холодный и горячий металл, тем ближе к поверхности начнется спад температуры.

При нагреве, даже быстром, свойственном поверхностной закалке, невозможно полностью избежать явления теплопроводности. Часть энергии будет отводиться в глубь изделия.

При поверхностной закалке стремятся выбирать такие режимы, чтобы нагретый слой не превышал «горячей» глубины проникновения тока. Такой нагрев называется глубинным [1].

1.2. СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ И ЧУГУНЕ ПРИ НАГРЕВЕ

Качество нагрева при термической обработке определяется степенью завершенности фазовых превращений в металлах и сплавах. Для углеродистой стали к таким процессам относятся превращения эвтекто-ида (перлита) в аустенит, превращение структурно свободного феррита в доэвтектоидных сталях и растворение избыточных карбидов в ;1аэвтек-тоидной стали. Рассмотрим влияние быстрого индукционного нагрева на кинетику протекания этих процессов.

Состав фаз в углеродистой стали при различных уровнях температуры и характер фазовых переходов определяются диаграммой состояния сплавов железа с углеродом (см. рис. 1.1). Из диаграммы видно, что перлит, представляющий собою эвтектоидную смесь двух фаз (феррита и цементита), при нагреве до температуры, обозначенной на диаграмме Л, начинает превращаться в аустенит. В реальных условиях процесс идет при некотором перенЭ*реве до точки Лс,, и чем больше разность Лс-Ль тем быстрее идет процесс, так как увеличивается разность равновесных концентраций углерода в аустените на границах с цемен-

титом и ферритом Сц - Сф и увеличивается подвижность атомов углерода.

Расчеты, построенные на законах диффузии, показывают, что превращения перлита в аустенит по своей природе - быстропротекающий процесс. Тонкопластинчатый перлит может перейти в аустенит при температурах, близких к Л, в течение 0,1-0,2 с, грубопластинчатый - за 0,8-1,0 с. Однако теоретическая расчетная скорость превращения может быть достигнута только в том случае, если это превращение, по своей природе эндотермическое и идущее с поглощением тепла в количестве 80 Дж/г, будет обеспечено необходимым количеством энергии. В термических печах передача нужного количества энергии затруднена и превращение искусственно затягивается.

При индукционном нагреве тепловая энергия генерируется непосредственно в поверхностных слоях обрабатываемого изделия, поэтому мощность, передаваемая в изделие, не ограничивается. Увеличение скорости нагрева, связанное с увеличением передаваемой в изделие мощности, вызывает ускорение процесса превращения, которое при реальных режимах термической обработки углеродистой стали завершается в полной мере при температуре, близкой к Л. Только при очень быстрых процессах поверхностной закалки, когда время нагрева исчисляется долями секунды, приходится учитывать время превращения перлита в аустенит и повышать конечную температуру нагрева существенно выше точки определенной для данной стали при медленном нагреве. В этом случае говорят об интервале температур превращения перлита в аустенит.

Сказанное выше справедливо для углеродистой стали, т. е. сплава железа с углеродом. Введение в сплав легирующих элементов может оказать влияние на кинетику превращения перлита в аустенит.

Такие элементы, как никель, не образуют с углеродом химического соединения (карбида), а входят в состав твердого раствора в железе, понижая температуру перлитного превращения А\. С точки зрения условий нагрева это действие благоприятно, так как позволяет применить более низкие температуры нагрева. На кинетику перехода перлита в аустенит такие элементы оказывают слабое влияние, которое в практике термической обработки можно не учитывать.

Кремний, так же как и никель, не образует в стали карбидов, но он повышает температуру начала перлитного превращения. Кроме того, кремний существенно замедляет диффузию углерода в железе, что приводит к необходимости для-.форсировання процесса повышать температуру нагрева при термической обработке по сравнению с углеродистой сталью.

Большинство элементов, применяющихся для легирования конструкционной стали, образуют с углеродом карбиды, стойкие при относительно высоких температурах. К ним относятся хром, титан, ванадий, вольфрам и др. Скорость превращения эвтектоида, легированного этими элементами, много меньше скорости превращения перлита в углеродистой стали. Поэтому при индукционном нагреве превращение протекает в некотором интервале температур и температура окончания процесса может оказаться выше на несколько десятков градусов.



[ 0 ] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14]

0.0007