Индукционная закалка ТВЧ

Индукционный высокочастотный нагрев для поверхностной закалки основан на использовании поверхностного эффекта (скин-эффекта). Важным фактором высокочастотной закалки является чрезвычайно большая скорость нагрева всего закаливаемого слоя. Если скорость нагрева внешним источником тепла, например пламенем газовой горелки, лимитируется теплопроводностью металла (чтобы провести нагрев с высокой скоростью, которая необходима при поверхностной закалке, приходится сильно перегревать поверхность изделия), то при высокочастотном нагреве теплота генерируется в самом металле и весь закаливаемый слой быстро нагревается до необходимой температуры.^[3]

С повышением скорости нагрева фазовые превращения смещаются в область более высоких температур. Кроме того, в доэвтектоидных сталях повышение температуры при индукционном нагреве как бы обгоняет диффузию углерода, в результате чего избыточный феррит превращается в малоуглеродистый аустенит.^[4]

Основные параметры индукционного нагрева — температура закалки и скорость нагрева в районе фазовых превращений.

Температура высокочастотной закалки должна быть выше температуры закалки при обычном печном нагреве и тем выше, чем больше скорость нагрева и грубее выделения избыточного феррита. Например, сталь 40 при печном нагреве закаливают с температур 840—860 °С, при индукционном нагреве со скоростью 250 °С/с — с температур 880—920 °С, а при скорости нагрева 400 °С/с — с 930—980 °С.

С увеличением степени перегрева скорость зарождения центров аустенита растёт быстрее линейной скорости их роста. Поэтому в условиях высокочастотного нагрева, отличающихся сильным перегревом выше точек А₁ и А_с3 и отсутствием выдержки при максимальной температуре, образуется очень мелкое аустенитное зерно. Оптимальная температура закалки обеспечивает характерную для высокочастотного нагрева структуру безыгольчатото(«бесструктурного») мартенсита в высокоуглеродистых сталях и мелкоигольчатого мартенсита в доэвтектоидных сталях. С увеличением температуры закалки выше оптимальной структура огрубляется и появляется крупноигольчатый мартенсит.^[4]

Изделие помещают в индуктор с током высокой частоты. Практически считается, что индуцируемый в изделии ток сосредоточен в поверхностном слое, причём глубина проникновения тока, а значит, и толщина закалённого слоя, уменьшаются с увеличением частоты тока. Одновитковый или многовитковый медный индуктор подбирают для каждой детали в соответствии с формой нагреваемой поверхности. Полый индуктор изнутри охлаждается водой. Расстояние между поверхностью изделия и индуктора должно быть строго определённым, так как от него зависит глубина закалки. Если изделие круглое, то для получения равномерной глубины закалки целесообразно вращать его в период нагрева в индукторе. При одинаковой толщине закалённого слоя высокочастотный нагрев по сравнению с другими методами характеризуется меньшим перегревом поверхности и гораздо более равномерным распределением температуры в закаливаемом слое.

Высокочастотную закалку широко используют для углеродистых сталей с небольшой прокаливаемостью, таких, как стали 40 и 45. Легированные стали в ряде случаев с успехом заменяют углеродистыми или низколегированными сталями, упрочняемыми поверхностной закалкой с индукционным нагревом.^[4]

В настоящее время индукционную закалку с нагревом ТВЧ применяют к таким изделиям, как коленчатые и распределительные валы, шестерни, тормозные кулаки, пальцы кривошипа, валки холодной прокатки, рельсы (закаливают концы рельсов), фрезы, метчики, плашки, зубила, напильники и др.^[5]

Одним из вариантов индукционной закалки ТВЧ является объёмно-поверхностная закалка, используемая для упрочнения поверхностных и глубинных слоев тяжелонагруженных изделий, например, ведомых цилиндрических шестерён электровозов или поршневых пальцев дизельных двигателей тепловозов.

Можно отметить следующие преимущества закалки с высокочастотным нагревом: высокую производительность, повышение износостойкости и сопротивления усталости, отсутствие обезуглероживания, незначительное окисление, точную регулировку глубины закалки, возможность механизации и автоматизации процесса, а также организации поточных линий.

К недостаткам относятся высокая стоимость индукционной установки и нерентабельность закалки единичных деталей, для каждой из которых требуется изготовить собственный индуктор и подобрать режим обработки. При серийном производстве однотипных деталей эти недостатки отсутствуют и высокочастотная закалка рентабельна.^[4]