Прочность элементов в особо ответственных стальных конструкциях во многом зависит от состояния узлов. Поверхность деталей играет не последнюю роль. Для придания ей необходимой твердости, стойкости или вязкости проводятся операции термической обработки. Упрочняют поверхность деталей различными методами. Один из них – закалка токами высокой частоты, то есть ТВЧ. Он относится к наиболее распространенным и очень производительным способом во время крупносерийного производства различных конструкционных элементов.
Подобная термообработка применяется как целиком к деталям, так и к отдельным их участкам. В этом случае целью является достижение определенных уровней прочности, тем самым повышая срок эксплуатации и эксплуатационные характеристики.
Технология используется для усиления узлов технологического оборудования и транспорта, а также при закаливании различного инструмента.
Сущность технологии
ТВЧ закалка – это улучшение прочностных характеристик детали за счет способности электрического тока (с переменной амплитудой) проникать в поверхность детали, подвергая ее нагреву. Глубина проникновения благодаря магнитному полю может быть различной. Одновременно с поверхностным нагревом и закаливанием сердцевина узла может быть не прогретой вовсе или лишь незначительно повысить свою температуру. Поверхностный слой обрабатываемого изделия образовывает необходимую толщину, достаточную для прохождения электрического тока. Данный слой представляет собой глубину проникновения электротока.
Эксперименты доказали, что увеличение частоты тока способствует уменьшению глубины проникновения. Данный факт открывает возможности для регулирования и получения деталей с минимальным закаленным слоем.
Термообработка ТВЧ осуществляется в специальных установках – генераторах, умножителях, преобразователях частоты, позволяющих осуществлять регулировку в необходимом диапазоне. Помимо частотных характеристик на конечную закалку оказывают влияние габариты и форма детали, материал изготовления и используемый индуктор.
Выявлена также следующая закономерность – чем меньше изделие и чем более простая у него форма, тем лучше проходит процесс закаливания. При этом также снижается общий расход электроэнергии установки.
Индуктор медный. На внутренней поверхности часто имеются дополнительные отверстия, предназначенные для подачи воды при охлаждении. В этом случае процесс сопровождается первичным нагревом и последующем охлаждении без подачи тока. Конфигурации индукторов различны. Выбираемое устройство непосредственно зависит от обрабатываемой заготовки. В некоторых аппаратах отсутствуют отверстия. В такой ситуации охлаждается деталь в особом закалочном баке.
Основным требованием к процессу ТВЧ закалки является сохранение постоянного зазора между индуктором и изделием. При сохранении заданного промежутка качество закаливания становится наиболее высоким.
Упрочнение может производится одним из способов:
- Непрерывно-последовательный: деталь неподвижна, а индуктор движется вдоль ее оси.
- Одновременный: изделие движется, а индуктор – наоборот.
- Последовательный: происходит поочередная обработка различных частей.
Введение
Финишной технологической операцией изготовления стальных деталей шестерней является закалка токами высокой частоты (ТВЧ).
В машиностроении принято малое зубчатое колесо называть шестерней, а большое чаще именуют «колесом» зубчатого колеса. Важнейшие параметры зубчатых колес — модуль, шаг, высота зуба, число зубьев и диаметр окружности выступов [1]. На индукционной установке обрабатываются зубчатые колеса с модулем свыше 6 мм, получаемая глубина закаленного слоя составляет примерно 1,6 мм.
В одновитковом индукторе ТВЧ с концентратором осуществляется поверхностная закалка зуба, сердцевина зуба остается «сырой» [2].
Индукционные установки ТВЧ типа «Петра-0501» применяются также с закалкой в кольцевом индукторе.
Поверхностная закалка шестерен с малым модулем, меньше 6 мм, осуществляется в кольцевом индукторе с большим количеством витков.
Особенности индукционной установки
Установка для ТВЧ закалки является высокочастотным генератором совместно с индуктором. Обрабатываемое изделие располагается как в самом индукторе, так и рядом с ним. Он представляет собой катушку, на которой накручена трубочка из меди.
Переменный электрический ток при прохождении через индуктор создает электромагнитное поле, проникающее в заготовку. Оно провоцирует развитие вихревых токов (токов Фуко), которые проходят в структуру детали и повышают ее температуру.
Главная особенность технологии – проникновение вихревого тока в поверхностную структуру металла.
Повышение частоты открывает возможности для концентрации тепла на малом участке детали. Это увеличивает скорость поднятия температуры и может достигать до 100 – 200 градусов/сек. Степень твердости увеличивается до 4 единиц, что исключено во время объемного закаливания.
Особенности эксплуатации индукционного оборудования
ТВЧ установки требуют постоянного ухода и квалифицированного обслуживания. Не верьте поставщикам, которые уверяют вас в том, что ТВЧ установки никогда не ломаются. Это может случиться не раз за весь период эксплуатации, который при грамотном обслуживании может длиться до 10 и более лет. Интенсивная эксплуатация в цехе с воздухом загрязненным парами металла, масел, кислот и пылью, возможна в течение 4–6 лет. За это время оборудование должно многократно окупиться. По отзывам большинства наших клиентов, индукционное оборудование окупается максимум за полгода.
Поставщики, продающие «Вечное оборудование европейского качества по бросовой цене» обманывают вас. При таких словах вы должны услышать следующее: «Это ТВЧ установки гаражной сборки и у нас некому их ремонтировать»!
Китайские производители не ремонтируют индукционное оборудование в России и СНГ. Оборудование должен обслуживать и ремонтировать российский поставщик.
Индукционный нагрев – характеристики
Степень индукционного нагрева зависит от трех параметров – удельная мощность, время нагревания, частота электротока. Мощность определяет время, потраченное на нагрев детали. Соответственно при большем значении времени затрачивается меньше.
Время нагревания характеризуется общим объемом затраченного тепла и развиваемой температурой. Частота, как было сказано выше, определяет глубину проникновения токов и образованного закаливаемого слоя. Эти характеристики имеют обратную зависимость. При увеличении частоты, снижается объемная масса нагретого металла.
Именно данные 3 параметра позволяют в широком диапазоне регулировать степень твердости и глубину слоя, а также объем нагрева.
Практика показывает, что контролируются характеристики генераторной установки (значения напряжения, мощности и силы тока), а также время нагревания. Степень нагревания детали может контролироваться с помощью пирометра. Однако в основном непрерывный контроль температуры не требуется, т.к. существуют оптимальные режимы нагревания ТВЧ, обеспечивающие стабильное качество. Подходящий режим выбирается с учетом измененных электрических характеристик.
После закалки изделие отправляют в лабораторию на исследование. Изучается твердость, структура, глубина и плоскость распределенного закаливаемого слоя.
Поверхностная закалка ТВЧ сопровождается большим нагревом в сравнении с обычным процессом. Объясняется это следующим образом. В первую очередь, высокая скорость повышения температуры способствует увеличению критических точек. Во вторую, необходимо в короткий срок обеспечить завершение превращения перлита в аустенит.
Высокочастотное закаливание, в сравнении с обычным процессом, сопровождается более высоким нагревом. Однако металл не перегревается. Объясняется это тем, что зернистые элементы в стальной структуре не успевают разрастись за минимальное время. Кроме этого объемная закалка имеет прочность ниже до 2-3 единиц. После закалки ТВЧ деталь обладает большей износостойкостью и твердостью.
Все для плавки и закалки металлов c помощью ТВЧ, тигельных и муфельных печей (Aliexpress)
Подборка оборудования для плавки и закалки металлов в домашних условиях с помощью индукционных нагревательных установок, тигельных и муфельных печей. Также в подборке будут полезные аксессуары.
Тема интересная и будет полезна широкому кругу специалистов и любителей, моделистов и хоббийщиков. С помощью подобного оборудования можно вполне достичь цели: от идеи до ее реализации в металле.
Доступен промокод на скидку: lexus1111all300 — скидка 300 рублей на заказы от 2400 рублей с 28.10 по 30.11.
Компактные мини-печи для нагрева, закалки и плавки металлов
Тигельная мини-печь SmartMelt Муфельная мини-печь SmartKiln Индукционная плавильная печь
В последнее время стали популярными малогабаритные муфельные и тигельные печи, работающие от бытовой сети однофазного напряжения переменного тока ~220В. Потребление относительно невысокое — около 2 кВт (как электрочайник или утюг). Максимальная температура плавления 1100…1300 °С, для поддержания температуры установлен специальный контроллер PID-регулятор. На печи SmartMelt и SmartKiln обращаю отдельное внимание — они в наличии в РФ, доставка быстрая, инструкция на русском языке.
А что касается мастер-моделей для литья, то их можно самостоятельно изготовить на FDM 3D-принтерах или на SLA UV 3D-принтерах.
Установки высокочастотного индукционного нагрева (ТВЧ)
Установка ZVS на 2000 Вт Установка ZVS на 2500 Вт Установка ZVS на 3000 Вт
Другой традиционный вариант нагрева металлов — это установки индукционного нагрева (ТВЧ, или по английски: ZVS). Представляют собой индуктивный контур с накачкой большими токами высокой частоты (50-100 Ампер). В центре катушки помещается заготовка для плавки или нагрева. Подходят для закалки, например, ножевых заготовок. Из-за высокой мощности силовой контур требуется охлаждать, поэтому смотрите, чтобы в комплекте был жидкостный насос (или приобретайте отдельно). Также потребуется мощный источник питания постоянного тока (24…48 В, по 2-3 кВт). Лучше брать сразу комплектом (выгоднее). Подобное оборудование вполне может стать началом собственного дела.
Вакуумные литьевые машины
Машина для вакуумного литья KayaCast Машина для вакуумного литья EasyCast
Для литья в небольших масштабах, для ювелирки и для сувенирной продукции, лучше взять отдельную или комбинированную установку для вакуумного литья, а конкретно: вибрационную машинку с вакуумным насосом. Опционально в ней может быть встроена тигельная печка. Да, для работы с небольшими порциями металлов лучше приобрести различные тигли и термостойкие чаши, щипцы, защитные рукавицы и маску.
Аксессуары для печей
Графитовый тигель Керамический тигель
Керамический тигель из кварцевого термостойкого стекла более интересен именно из-за своих износостойких качеств. А вот графитовый тигель обходится дешевле, но сильнее изнашивается при частой плавке. В любом случае, вам потребуется ряд подобных аксессуаров различного объема и формы. При выборе обращайте внимание на наличие «носика» для заливки жидкого металла. Источники питания для ТВЧ можно посмотреть в этой подборке.
Таким образом, с небольшими затратами можно собрать оборудование для самостоятельного изготовления в небольших партиях, например, сувенирной продукции. Это вполне может стать началом собственного бизнеса или серьезным подспорьем в хобби. Цены относительно невысокие, часть оборудования в наличии в России, часть — продается комплектом и готова к работе сразу.
С другими подборками оборудования, а также с тестами и обзорами гаджетов вы можете ознакомиться по ссылкам ниже и в моем профиле.
Как выбирается температура?
Соблюдение технологии должно сопровождаться правильным выбором температурного диапазона. В основную очередь все будет зависеть от обрабатываемого металла.
Сталь классифицируется на несколько типов:
- Доэвтектоидная – содержание углерода до 0,8%;
- Заэвтектоидная – более 0,8%.
Металл с содержанием углерода не подвергается закалке, так как получается очень низкая твердость.
Доэвтектоидная сталь нагревается до значения чуть большего, чем необходимо для преобразования перлита и феррита в аустенит. Диапазон от 800 до 850 градусов. После этого деталь с высокой скоростью охлаждается. После резкого остывания аустенит преобразовывается в мартенсит, имеющий высокую твердость и прочность. При небольшом времени выдержки получается аустенит мелкозернистой структуры, а также мелкоигольчатый мартенсит. Сталь получает высокую твердость и небольшую хрупкость.
Заэвтектоидная сталь нагревается меньше. Диапазон от 750 до 800 градусов. В этом случае производится неполная закалка. Объясняется это тем, что подобная температура позволяет сохранить в структуре некоторый объем цементита, имеющего более высокую твердость в сравнении с мартенситом. При быстром охлаждении аустенит преобразовывается в мартенсит. Цементит же сохраняется мелкими включениями. Зона также сохраняет не растворившийся полноценно углерод, превратившийся в твердый карбид.
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.
Достоинства технологии
- Контролирование режимов;
- Замена легированной стали на углеродистую;
- Равномерный процесс прогрева изделия;
- Возможность не нагревать всю деталь полностью. Снижение энергопотребления;
- Высокая получаемая прочность обработанной заготовки;
- Не происходит процесс окисления, не сжигается углерод;
- Нет микротрещин;
- Отсутствуют коробленые точки;
- Нагрев и закаливание определенных участков изделий;
- Снижение временных затрат на процедуру;
- Внедрение при изготовлении деталей ТВЧ установок в технологические линии.
Номенклатура высокочастотных ТВЧ установок на транзисторных IGBT модулях
| Параметр / обозначение | ВЧ-15А | ВЧ-15АВ | ВЧ-25А | ВЧ-25АВ | ВЧ-40АВ | ВЧ-60АВ | ВЧ-80АВ | ВЧ-100АВ | ВЧ-120АВ | ВЧ-160АВ |
| Потребляемая мощность, кВА | 15 | 15 | 25 | 25 | 40 | 60 | 80 | 100 | 120 | 160 |
| Диапазон рабочих частот, кГц | 30-80 | 30-80 | 30-80 | 30-80 | 30-60 | 30-60 | 30-60 | 20-50 | 20-50 | 20-50 |
| Напряжение питания, В | 220 | 220 | 380 | 380 | 380 | 380 | 380 | 380 | 380 | 380 |
| Количество фаз, шт. | 1 | 1 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
| Максимальный ток одной фазы, А | 25 | 25 | 25 | 25 | 45 | 65 | 120 | 150 | 180 | 240 |
| КПД, % | 90 | 90 | 90 | 90 | 90 | 90 | 90 | 90 | 90 | 90 |
| Таймер, сек | 99 | 99 | 99 | 99 | 99 | 99 | 99 | 99 | 99 | 99 |
| Вес оборудования, кг | 18 | 23 | 23 | 31 | 35+30 | 35+30 | 41+42 | 45+47 | 51+49 | 63+55 |
| Система охлаждения ТВЧ установки | ||||||||||
| Расход воды, л/мин макс. | 5 | 5 | 8 | 8 | 10 | 12 | 12 | 14 | 14 | 16 |
| Давление воды, атм. | 2 | 2 | 2 | 2 | 2-3 | 2-3 | 2-3 | 2-3 | 2-3 | 2-3 |
| Мощность насоса, кВт | 0,3 | 0,3 | 0,4 | 0,4 | 0,5 | 0,5 | 0,7 | 0,8 | 1,0 | 1,2 |
Индукционные системы нагрева
Таким образом, система индукционного нагрева состоит, как минимум, из генератора, преобразующего сетевое питание в ток, необходимый для работы установки, и индуктора, передающего энергию для нагрева. Как правило, при этом еще необходим резонансный контур для согласования характеристик индуктора и генератора. Для выполнения более сложных задач необходима более сложная система, включающая закалочную машину, систему охлаждения и т.п.
