Индукционная закалка зубчатых колес: обзор

 

В. Руднев, Д. Лавлесс, Р. Кук, М. Блэк

Inductoheat Corp., USA

 

Выдержки из книги авторов по индукционному нагреву; этот всесторонний краткий обзор механизма закалки зубчатых колес включает разделы по выбору материалов, характеристикам твердости, конструкциям индукторов и режимам нагрева.

 

Введение

 

В последнее время, производители углубили свои познания в области технологии производства качественных зубчатых колес. Это привело к уменьшению шума, к понижению массы и стоимости, а так же к увеличению нагрузочной способности, быстроходности и передаваемого крутящего момента при минимизации количества выделяемого тепла. Настоящий обзор заостряет внимание на роли индукционной закалки зубчатых колес и шестерен.

Не все зубчатые колеса и шестерни хорошо закаливаются методом индукционного нагрева. Прямозубые и косозубые зубчатые колеса, червячные шестерни и зубчатые колеса с внутренним зацеплением, зубчатые рейки и цепные колеса - типичные детали для закалки которых применяется индукционный нагрев (Рис. 1). Напротив, конические, гипоидные и некруглые зубчатые колеса крайне редко обрабатываются с применением индукционного нагрева.

 

Рисунок 1. Типичные образцы зубчатых колес, закаливаемых методом индукционного нагрева

 

В отличие от цементации и азотирования при индукционной закалке не требуется нагрев всего зубчатого колеса. Индукционный нагрев позволяет точно локализовать специфические области, требующие изменений структуры металла (например, боковая поверхность зуба, основание зуба и кромка зубчатого колеса могут быть закалены селективно), и тепловое воздействие на другие поверхности  при этом будет минимально. В зависимости от применения, твердость зубьев обычно находится в диапазоне от 42 до 60HRC.

Одна из целей индукционной закалки зубчатого колеса заключается в получении полностью мелкозернистого мартенситового слоя определенных поверхностей зубчатого колеса для увеличения их твердости и износостойкости. При этом остальные элементы зубчатого колеса практически не должны затрагиваться процессом термообработки. Увеличение твердости также увеличивает контактную усталостную прочность. Комбинация повышенной твердости, износостойкости, и способности обеспечивать тонкую мартенситную структуру, часто позволяет заменить дорогие высоколегированные стали более дешевыми низколегированными или углеродистыми сталями.

Не всегда возможно получить полностью мартенситную фазу. В зависимости от марки стали, присутствие некоторого количества аустенита в закаленном слое неизбежно (если не используется криогенная обработка). Это справедливо для сталей с высоким содержанием углерода и чугунов.

До определенного момента остаточный аустенит заметно не снижает поверхностную твердость. Однако, это придает некоторую пластичность и обеспечивает лучшее поглощение энергии, особенно важно для тяжело нагруженных зубчатых колес. Кроме того, будучи неустойчивым, остаточный аустенит имеет тенденцию со временем преобразовываться в мартенсит, увеличивая сжимающие остаточные напряжения и поверхностную твердость. Из-за этого малое количество остаточного аустенита не только безопасно, но, в некоторых случаях, даже целесообразно. Однако чрезмерное количество остаточного аустенита может быть вредно, потому что он может заметно уменьшить поверхностную твердость, ослабить усталостную прочность, что может привести к появлению критического количества ломкого незакаленного мартенсита в течение срока службы зубчатого колеса.

Другая цель индукционной закалки зубчатого колеса - внесение сжимающих остаточных напряжений в поверхностный слой зубчатого колеса. Это важная особенность, так как она помогает бороться с растрескиванием, а также противостоять изгибной усталости металла.

Марки используемых сталей, их исходная микроструктура и рабочие характеристики зубчатого колеса (включая условия нагрузки и рабочую среду) диктуют требуемую твердости поверхности и сердцевины зубчатого колеса, распределение твердости по глубине закаленного слоя, нагрузочную способность зубчатого колеса и распределение остаточных напряжений.

 

Выбор материала и предъявляемые к зубчатому колесу требования, определяющие параметры процесса термообработки

 

Выбор стали зависит от особенностей эксплуатации зубчатого колеса, требуемой твердости и стоимости. Низколегированные и среднеуглеродистые стали с содержанием углерода от 0,4 до 0.55 % (такие как AISI 4140, 4340, 1045, 4150, 1552, 5150) обычно используются для изготовления зубчатых колес, подлежащих индукционной термообработке.

 

Микроструктура

Когда обсуждается индукционная закалка, обязательно упоминается важность "благоприятных" механических свойств материалов используемых для обработки зубчатых колес. На повторяемость и стабильность твердости закаливаемых деталей существенно воздействует исходное состояние микроструктуры до термообработки (так называемая микроструктура "зеленого" зубчатого колеса) и химический состав стали [1-5].

"Благоприятная" исходная микроструктура, получаемая при предварительной термообработке и содержащая  однородную мелкозернистую фазу с твердостью от 30 до 34HRC, наиболее благоприятна для последующей закалки с применением индукционного нагрева с минимальными искажениями размеров и формы и минимальным ростом кристаллов. Этот тип исходной микроструктуры имеет более высокую твердость и глубину прокалки по сравнению с феррито-перлитной начальной микроструктурой.

Если исходная микроструктура материала зубчатого колеса содержит существенное количество грубопластинчатого перлита и, что наиболее важно, крупнозернистого феррита или ферритовых кластеров, то она не может быть признана благоприятной. Зубчатые колеса с такой структурой требуют длительного времени аустенизации и/или высокой температуры аустенизации, для того чтобы быть уверенным, что диффузионные процессы завершились и получена однородная аустенитная структура. Феррит, с содержанием углерода меньше чем 0.025 %, является практически чистым железом и не содержит углерод, требуемого для преобразования в мартенсит. Длительное время аустенизации требуется для того чтобы углерод диффундировал в слабо насыщенные углеродом области феррита. Иначе ферритовые кластеры будут сохранены в аустените и, после закалки, возникнет сложная феррито-мартенситная микроструктура, с чередованием мягких и жестких зон.

По сравнению с предварительно закаленной и отпущенной микроструктурой, стали с большим содержанием углерода (то есть сфероидальной микроструктурой) также демонстрируют слабую реакцию на индукционную закалку и требуют продолжительного нагрева и более высокой температуры для аустенизации. Удлинение времени нагрева приводит к росту кристаллов,  появлению грубого мартенсита, разбросу характеристик, расширению переходной зоны, и искажению формы зубчатых колес. Наличие грубого мартенсита обеспечивает снижение прочности зуба и создает благоприятные условия для растрескивания.

 

Химический состав

В отличие от других технологических процессов термообработки, индукционная закалка существенно определяется различиями в химическом составе заготовки. Следовательно, благоприятное исходное состояние  материала также подразумевает серьезный контроль химического состава сталей и чугунов, подлежащих термообработке. Серьезные ограничения по составу определяются требуемой твердостью поверхности и глубиной слоя термообработки. Кроме этого, серьезный контроль состава материала ограничивает возможности получения различных результатов термообработки в зависимости от поставки сталей от различных производителей. Необходимо избегать неоднородностей в исходных  микроструктурах "зеленых" зубчатых колес.

 

Состояние поверхности

Состояние поверхности зубчатого колеса - другой фактор, который может существенно влиять на технологический процесс термообработки. Лунки, микротрещины, бороздки и прочие поверхностные и околоповерхностные нарушения структуры, также как и другие концентраторы напряжений, могут служить причиной развития растрескиваний во время индукционной закалки; когда материал проходит цикл расширения-сжатия резкие изменения температур и напряжений могут достигнуть критических значений и "открыть" бороздки и микротрещины, имевшиеся в исходной микроструктуре. И наоборот, однородная структура с гладкой поверхностью, свободная от лунок, трещин, бороздок и т.п., улучшает реакцию на термообработку и положительно воздействует на важные характеристики зубчатых колес,  такие как усталостная прочность, предел прочности, долговечность и срок службы зубчатого колеса.

Применение средних и высоких частот приводит к перегреву острых углов и кромок, поэтому, зубья шестерни должны быть спроектированы так, что острые кромки отсутствуют или притуплены.

 

Точность

Поскольку зубчатые колеса при функционировании передают вращение и момент силы, они относятся к группе механизмов, требующих при изготовлении максимальной геометрической точности. Точность зубчатого колеса и способность обеспечивать требуемое сопряжение с контактирующей с ним деталью являются важнейшими рабочими характеристиками. Обычно заданные допуски зубчатых колес измеряются в микронах, поэтому способность контролировать такие нежелательные явления как деформация зубчатого колеса, овальность, конусность, нарушение плоскостности, бочкообразность и изгиб зубьев, растяжение и сжатие играет ведущую роль в обеспечении качества зубчатых колес.

Из-за этого, требования к твердости, минимизация нарушения размеров и формы и повторяемость этих  нарушений - самые критичные параметры, которым должна удовлетворять термообработка зубчатых колес.

 

Краткий обзор вариантов закалки

 

Первый шаг при проектировании процесса индукционной установки для термообработки зубчатых колес заключается в том, что необходимо определить требуемую твердость поверхности и геометрию закаленного слоя. На рисунке 2 показаны типичные схемы измерений профиля зуба. В некоторых случаях, в зависимости от типа зубчатого колеса и его применения, некоторые изготовители разрабатывают специальные процедуры для измерений профиля шестерни.

 

Рисунок 2. Типичные схемы измерения профиля зуба. В зависимости от типа зубчатого колеса разрабатываются специальные процедуры измерения

 

Недостаточная твердость, также как неоднородность  твердости по профилю в области пятна контакта сокращает срок службы зубчатого колеса из-за низкой несущей способности, преждевременного износа, изгибной и контактной усталости зуба, выкрашивания и расщепления. Они могут привести даже к определенной пластической деформации зубьев.

Сквозная закалка зуба шестерни с твердостью более 60HRC также делает зуб слишком хрупким и приводит к его преждевременному разрушению. Глубина закаленного слоя должна быть не слишком большой и не слишком маленькой, для того чтобы обеспечить требуемые свойства зуба.

Существует распространенное заблуждение, что одинаковая толщина закалки по всему профилю является лучшим вариантом для всех случаев закалки зубчатого колеса. Это мнение неверно. Во многих случаях, определенное изменение толщины закаленного слоя по профилю зуба может обеспечить лучшие характеристики зубчатого колеса. Способ нагрузки колеса (случайная, прерывистая или постоянная) влияет на тип колеса, геометрию зуба и профиль закаленного слоя. Нагрузки продолжительностью до 30 минут в день считаются случайными. Нагрузки продолжительностью несколько минут в час считаются прерывистыми. Постоянные нагрузки составляют от 10 до 24 часов [2, 6].

Кратко рассмотрим возможные варианты закалки (Рис. 3) и их влияние на несущую способность и долговечность зубчатых колес [7,8]:

 

Рисунок 3. Варианты индукционной закалки зубчатых колес

 

- Вариант А является закалкой рабочей поверхности зуба, который использовался со второй половины 40-ых годов для закалки зубчатых колес большого размера (модули восемь и выше). В этом случае закалке подлежит головка и рабочая поверхность зуба до переходной кривой. Это обеспечивает требуемую износостойкость, но типичным при таком варианте закалки является разрушение из-за изгибной усталостной потери прочности. Типичным является разрушение в районе основания и переходной кривой зуба. В области перехода от закаленного к незакаленному состоянию остаточные напряжения изменяются от сжимающих в закаленной области к растягивающим в незакаленной. Максимальные растягивающие остаточные напряжения расположены ниже конца закаленной области. Сочетание прикладываемых и остаточных растягивающих напряжений создает благоприятные условия для раннего развития трещин у основания зуба или в районе переходной кривой, особенно для тяжелонагруженных зубчатых колес.

 Поэтому, когда выбирается вариант А, механическому упрочнению (роликом или шариком) обычно подвергается область переходной кривой. Это обеспечивает полезные сжимающие остаточные напряжения, которые повышают усталостную стойкость металла. Когда механическое упрочнение не используется, рекомендуется применять вариант, при котором основание зуба закаливается так как это показано на рисунке 3 (вариант I).

- Вариант B характеризуется закалкой рабочей поверхности и тела зуба. Этот вариант имеет тот же недостаток, что и вариант А - низкую нагрузочную способность - и может применяться там, где главной целью закалки является повышение износостойкости. Варианты E, F и G дают лучшие результаты в условиях комбинированных нагрузок (износ, разрывные и изгибающие напряжения).

- Вариант С является вариантом закалки головки зуба. В этом случае достигается минимальное искажение формы зубчатого колеса. Кроме этого, применение зубчатых колес, закаленных таким способом чрезвычайно ограничено, поскольку две очень важных области зуба (рабочая поверхность и переходная кривая) не закалены. Действительно, в случае неблагоприятного остаточного внутреннего напряжения изгибная усталостная прочность зубчатого колеса, закаленного этим способом, так же как способами А и B, может быть даже на 25 % ниже, чем у вообще не закаленных ("зеленых") зубчатых колес [4]. В большинстве случаев варианты F и G являются лучшими.

- Вариант D является вариантом закалки впадины (переходной кривой). Максимальные изгибающие напряжения локализованы в области переходной кривой зуба; поэтому, этот вариант обеспечивает хорошее упрочнение переходной кривой и основания зуба в сочетании с упрочнением поверхности, удовлетворительной глубиной закаленного слоя и сжимающими остаточными напряжениями. Основание зуба существенно усиливается; таким образом максимальные остаточные растягивающие напряжения смещаются из области основания зуба и переходной кривой в глубину, где остаточные растягивающие напряжения не будут суммироваться с прикладываемыми во время работы растягивающими напряжениями и вызывать изгибающие усталостные разрушения.

Однако применение этого варианта существенно ограничено. Поскольку рабочая поверхность зуба не закалена, это приводит к плохой износоустойчивости, которая может привести к перемещению или смещению частиц металла с поверхности зуба. Теоретически, можно представить потребность в использовании этого варианта так же как и предыдущего; однако, на практике, поступают по другому, а именно реализуют вариант I.

- Вариант E является одним из самых распространенных, особенно для зубчатых колес небольших размеров и цепных колес. Так как тело зуба прокалено насквозь, закалка может послужить причиной появления растрескиваний. Кроме того, существует опасность излома зубчатого колеса с прокаленными зубьями, особенно при ударных нагрузках. Сердцевина должен быть способна противостоять динамическим нагрузкам и предотвращать пластическую деформацию зубьев. Она должна также обладать некоторой растяжимостью. Именно для этих целей часто применяется низкотемпературное искусственное старение. Прочность сердцевины измеряется ее твердостью. Низкотемпературное искусственное старение понижает конечную твердость до диапазона 52 - 58HRC и придает некоторую пластичность и вязкость зубьям. Этот вариант дает хорошую износостойкость и устойчивость к выкрашиванию.

- Варианты F и G широко распространены для зубчатых колес средних размеров различного применения. При варианте F глубина закаленного слоя основания зуба обычно составляет 30 - 40 % от высоты зуба. Немного большая глубина закалки по делительной окружности зуба, по сравнению с глубиной в основании, выгодна для предотвращения растрескивания и выкрашивания. Очень важно закалить зубчатое колесу по периметру, включая рабочую поверхность и основание. Закалка зуба по всей рабочей поверхности приводит к повышению износоустойчивости зубчатого колеса. Это также приводит к появлению желательных сжимающих напряжений на поверхности зубчатого колеса. Поскольку зубья в этом случае не подвергаются сквозному прокаливанию, относительно пластичная сердцевина зуба (от 30 до 44HRC) и твердая поверхность (от 56 до 62HRC) обеспечивают хорошее сочетание требуемых прочностных свойств зуба, таких как высокая износостойкость, вязкость  и изгибная прочность, что способствует увеличению долговечности зубчатого колеса.

- Вариант I является одним из самых популярных при использовании индукционного нагрева для закалки зубчатых колес больших размеров и ведущих шестерен (то есть, зубчатых колес с наружным диаметром 300 мм и более) с крупными зубьями (модуль больше, чем восемь). Этот вариант обеспечивает хорошую комбинацию износостойкости и усталостной прочности металла, так же как и стойкость к ударным нагрузкам и износу за счет адгезионного взаимодействия (трение). Это очень важно для тяжелонагруженных зубчатых колес и ведущих шестерен, испытывающих значительные ударные нагрузки. Этот вариант рекомендуется для случаев, когда поверхностная твердость не должна быть очень высокой (обычно в диапазоне от 55 до 59HRC). Если поверхностная твердость выходит за диапазон от 61 до 62HRC, зубчатые колеса могут быть слишком ломкими и могут разрушаться за счет изгиба зуба.

 

 

 

Конструкция индуктора и режим нагрева

 

Разнообразие требуемых закаленных профилей приводит к различным конструкциям индукторов и режимов нагрева [1,7,8]. При разработке индукторов принимаются  во внимание основные принципы индукционного нагрева, оценочные расчеты и накопленный опыт. При этом учитываются не только параметры обработки, включая время технологического цикла и величину мощности, но также и геометрия индуктора.

 

Индукторы, вводимые во впадину между зубьями и индукторы, надеваемые на зуб

В основном зубчатые колеса закаливаются методом индукционного нагрева с помощью круговых индукторов (так называемая круговая закалка, см. Рис. 4) или, для больших зубчатых колес и ведущих шестерен, с помощью индукторов, вводимых во впадину между зубьями или надеваемых на зуб (Рис. 5 [1,2,7-11]).

 

Рисунок 4. Влияние частоты на закаливаемый профиль при круговом индукторе: (a) высокая частота; (b) низкая частота

 

Рисунок 5. Индуктора, вводимый во впадину между зубьями и надеваемый на зуб

 

Технологии применения индукторов с введением во впадину и надеванием на зуб требуют высокой квалификации, знания и опыта для получения закаленного слоя нужного качества. Такие технологии могут быть реализованы с применением линейных установочных позиционирований индуктора или с применением сканирования. Скорость сканирования может быть достаточно высокой и достигает величины 380 мм/мин и выше. Как индукторы, вводимые во впадину между зубьями, так и индукторы, надеваемые на зуб практически не применяются для зубчатых колес небольших размеров или колес с малыми зубьями (модуль меньше 6).

Геометрия индуктора определяется формой зубьев и требуемым вариантом закалки. При использовании технологии индуктора, надеваемого на зуб, индуктор окружает единственный зуб или располагается вокруг него (повторяя или не повторяя геометрию зуба). Такая конструкция индуктора обеспечивает реализацию вариантов B и С закалки.

Технология использования индуктора, вводимого во впадину между зубьями, требует симметричного расположения индуктора между рабочими поверхностями двух соседних зубьев. Такой индуктор может быть предназначен для нагрева только основания и/или боковой поверхности зуба; при этом головка и сердцевина зуба остаются незакаленными. Существует много вариантов конструкций описываемых индукторов. Один из самых распространенных вариантов формы индуктора приводится на рисунке 6. Этот вариант был первоначально разработан в 50-ых годах британской фирмой Delapena. На рисунке 7 приведена деталь, закаленная с помощью индуктора, вводимого во впадину между зубьями.

 

Рисунок 6. Индуктор, вводимый во впадину между зубьями и зубчатое колесо (Любезно предоставлено фирмой Inductoheat Inc.)

 

Рисунок 7. Деталь, закаленная с помощью индуктора, вводимого во впадину между зубьями (Любезно предоставлено фирмой Inductoheat Inc.)

 

Как видно на рисунке 8, распределение индуцированного вихревого тока по форме напоминает крылья бабочки. Максимальная плотность тока расположена в области оснований зубьев. Для того чтобы увеличить удельную плотность энергии, вводимую в область основания зуба, применяется магнитный концентратор поля. Обычно в качестве концентратора магнитного потока применяется набор пластин из магнитного материала, ориентируемых поперек зазора, или конструкция концентратора, выполненная на основе порошковых магнитных материалов. (Магнитные концентраторы поля, выбор материалов и общие требования к магнитным концентратором подробно обсуждаются в [1]).

 

Рисунок 8. a) Распределение тока, в индукторе, вводимом во впадину между зубьями; b) распределение вихревых токов в закаливаемых зубьях

 

Хотя распределение вихревого тока имеет форму крыльев бабочки, при применении сканирования, распределение температур по основанию и рабочей поверхности зубьев достаточно равномерно. В то же время, так как вихревой ток возвращается через рабочую поверхность зуба и, особенно, через головку зуба, необходимо принять меры предотвращающие перегрев головки зуба, который может существенно ослабить прочность зуба.

Зубчатые колеса, термообрабатываемые с помощью индукторов, вводимых во впадину между зубьями или надеваемых на зуб, могут иметь очень большие размеры и внешний диаметр 2,5 м и более. Такие колеса могут весить несколько тонн. Эта термообработка применяется как для внешних, так и внутренних зубчатых колес и ведомых шестерен. Существуют ограничения на диаметр внутренних зубчатых колес, которые могут закаливаться с применением этой технологии. Минимальный внутренний диаметр должен быть 200-250 мм.

Обе описываемые технологии закалки являются низко производительными процессами. При этом потребляется относительно малая мощность, которая зависит от производительности, типа стали, глубины закаливаемого слоя и геометрии закаливаемых зубьев. Небольшую потребляемую мощность можно рассматривать как достоинство этого процесса, потому что  при использовании круговой закалки была бы необходима очень большая мощность, что уменьшило бы рентабельность процесса термообработки в целом.

Применяемые частоты обычно лежат в диапазоне от 1 до 30 кГц. Однако бывают случаи, когда применяются частоты 70 кГц и выше. В [12] приводится пример закалки зубчатых колес на радиочастоте 450kHz.

 

Однородность

Однородность закаливаемого слоя существенно зависит от расположения индуктора, который должен помещаться симметрично по отношению к закаливаемым поверхностям. Асимметричное расположение индуктора приводит к неоднородному режиму закалки. Например, увеличение воздушного зазора между индуктором и рабочей поверхностью зуба приводит к уменьшению твердости и толщины закаленного слоя. Малая глубина закаленного слоя может уменьшить усталостную прочность зуба на изгиб. Это может привести также к чрезмерному износу рабочей поверхности. Уменьшение зазора может быть чревато местным перегревом или даже расплавлением поверхности зубчатого колеса. Возможно возникновение искрения между закаливаемой поверхностью и индуктором. При производстве прецизионных индукторов требуются выполнения условий жесткости и точного формообразования его рабочей поверхности. Должны использоваться специальные кондуктора, чтобы гарантировать расположение индуктора строго по оси впадины между зубьями. При закаливании с малыми зазорами необходимо принимать во внимание тепловое расширение металла во время техпроцесса.

 

Искажения

При закалке больших зубчатых колес и ведомых шестерен индукторами, вводимыми во впадину между зубьями или надеваемыми на зуб могут иметь место искажения типа размер/форма. Искажения формы особенно заметны на последней позиции нагрева. Смещение последнего закаливаемого зуба может составлять от 0.1 до 0.3 мм. В некоторых случаях, искажение может быть сведено к минимуму закалкой, каждого второго зуба или каждой второй впадины между зубьями. Очевидно, что при такой технологии для закалки требуется два прохода.

Часто требуется финишное шлифование. Так между величиной снимаемого металла и времени шлифовки существует линейная зависимость, чрезмерное искажение приводит к увеличению длительности процесса шлифовки, что увеличивает стоимость. Искажения, вызванные термообработкой, могут быть скомпенсированы на предварительных стадиях проектирования и производства зубчатого колеса.

Несмотря на то, что искажения, полученные при индукционной закалке больших зубчатых колес и ведомых шестерен (шахтные, морские и большие транспортные шестерни) могут быть заметными, они не настолько велики по сравнению с искажениями, возникающими при термохимической обработке. Закалочные операции требуют долгой выдержки зубчатых колес (иногда до 30 часов или более) при температуре от 850 до 950°C. Тепловые расширения при таких температурах существенно больше, чем возникающие при закалочных операциях, когда прогревается только закаливаемый слой. Расширение большой массы во время нагрева и выдержки и ее сжатие во время охлаждения и закалки в результате приводят к намного большим искажениям формы зубчатого колеса, чем при индукционной закалке.

Кроме этого, большие зубчатые колеса, выдерживаемые при температурах от 850 до 950°C в течение многих часов, имеют небольшую жесткость; поэтому они могут прогнуться и имеют тенденцию повторять форму своих опорных конструкций во время выдержки и обработки. Во время индукционной закалки поверхности, не подвергающиеся нагреву, так же как и области с температурами, соответствующими диапазону упругой деформации, служат стабилизирующим фактором и приводят к снижению планируемых искажений.

Здесь необходимо отметить что, благодаря малым размерам индуктора, величине зазора от 0.5 до 1.5 мм и тяжелым условиям эксплуатации, используемые индуктора требуют подгонки и имеют относительно короткий срок службы по сравнению с круговыми индукторами.

 

Эффекты при закалке концов и кромок

При проектировании этого типа процесса индукционного нагрева следует обращать особое внимание на электромагнитные эффекты на концах и острых кромках и возможность обеспечения требуемых режимов закалки на торцах зуба, эквивалентных процессу по его периметру.

Когда используется линейное установочное позиционирование (без сканирования), активная длина индуктора приблизительно равна ширине зуба. Этот режим имеет большие ограничения с точки зрения обеспечения однородности закаленной поверхности по сравнению с режимом сканирования.

Для сканирующего режима длина индуктора обычно не превышает половину ширины зуба. Для того чтобы достигнуть при требуемой температуре однородности закаливаемого слоя, необходимо использовать комплекс алгоритмов управления по принципу “Мощность нагрева и скорость сканирования в зависимости от положения индуктора”. Привод (возможна кулачковая реализация) обеспечивает сокращение времени пребывания индуктора в начальном и конечном положениях. Благодаря предварительному подогреву и теплопроводности, нагрев под закалку в конечном положении индуктора обычно делают короче, чем  в начальном.

При применении сканирующего режима для закалки зубчатых колес с большой шириной зуба используют два способа: один, при котором индуктор неподвижен, а колесо подвижно, и второй, при котором что колесо зафиксировано, а индуктор перемещается.

На рисунке 9 демонстрируется влияние геометрии индуктора в режиме закалки при надевании индуктора на зуб [13].

 

Рисунок 9. Влияние геометрии индуктора в режиме закалки при надевании индуктора на зуб

 

 

Нежелательный нагрев

Проблемой при применении закалки индуктором, вводимым во впадину между зубьями или надеваемым на зуб является нежелательный нагрев областей, смежных с закаливаемыми. Эта проблема особенно остро стоит для вариантов закалки A, D и I при использовании закалки индуктором, вводимым во впадину между зубьями и вариантов B и С при использовании индуктора, надеваемого на зуб. Вообще говоря, существуют две причины, по которым может происходить нежелательный нагрев.

Внешнее магнитное поле, наводимое индуктором, может быть причиной проблемы при закалке индуктором, надеваемым на зуб (варианты B и C), что может достаточно легко фиксироваться. Применение магнитных концентраторов поля в индукторах (Рисунок 10a) приводит к существенному снижению напряженности внешнего магнитного поля. В случаях, когда впадины между зубьями среднего размера, размещение магнитных концентраторов поля может быть затруднено из-за ограниченного пространства. Нежелательный нагрев рабочей поверхности соседнего зуба также может быть уменьшен введением тонких медных экранов; см. Рисунок 10b. (Физические основы и применение магнитных концентраторов поля обсуждаются в [1]).

 

Рисунок 10. а) Применение магнитных концентраторов существенно снижает внешнее поле индуктора; b) Нежелательный нагрев соседнего зуба устраняется применением тонких экранов

 

Другая причина обычно возникает при использовании закалки индуктором, вводимым во впадину между зубьями (особенно для вариантов A, D и I) и определяется  теплопроводностью. Тепло передается за счет теплопроводности от высокотемпературной области нагреваемого тела к низкотемпературной. Согласно закону Фурье, коэффициент теплопередачи пропорционален разности температур и величине теплопроводности. Большинство металлов имеет относительно хорошую теплопроводность. Во время закалки температура поверхности достигает относительно большой величины и превышает критическую температуру AС3 (см. диаграмму состояний). Поэтому, когда нагрета одна сторона зуба (то есть, варианты A, D и I), существует опасность, что другая сторона зуба будет нагрета за счет теплопроводности до недопустимо высокой температуры, что приведет к нежелательному нагреву предварительно закаленных областей.

Будет ли твердость закаленной стороны зуба уменьшена за счет нежелательного нагрева, зависит от нескольких факторов, включая рабочую частоту, модуль зуба, форму зуба, время нагрева, глубину закаленного слоя и другие режимные особенности. В случае малых и средних глубин закаленного слоя и больших зубьев, основание зуба, его рабочая поверхность и нижняя область торца обычно не перегреваются за счет теплопроводности. Массивная область ниже основания зуба является охладителем, который помогает отводить избыточное тепло и предохранять закаленную поверхность зуба от нежелательного нагрева.

Напротив, головку и вершину торца зуба можно считать проблемной областью. Нежелательный нагрев происходит достаточно интенсивно, потому что нагреваемая масса (головка зуба) относительно мала. Кроме этого, канал передачи тепла является коротким, что способствует интенсивной передаче тепла по направлению к уже закаленной поверхности (Рисунок 11a и b).

 

Рисунок 11. а) Головка зуба может быть проблемной областью в связи с нежелательным нагревом соседнего зуба (b) из-за относительно малой массы металла. Добавлен охладитель (с) для борьбы с нежелательным нагревом предварительно закаленного зуба.

Для решения проблемы нежелательного нагрева может использоваться дополнительный охладитель. Дополнительный охладитель предохраняет уже закаленные поверхности, в то время как происходит нагрев еще  не закаленных поверхностей (Рисунок 11c). Даже при применении наружного охлаждения, в зависимости от формы зуба и параметров процесса может осуществляться нежелательный нагрев уже закаленной поверхности. Обычно это явление не является определяющим и допустимо.

С помощью технологий использования закалки индукторами, вводимым во впадину между зубьями и надеваемым на зуб можно закалить зубчатые колеса, погруженный в закалочную ванну с управляемой температурой охлаждающей жидкости. Эта идея реализована в оригинальной технологии закалки фирмы Delapena. В этом случае, закалка практически мгновенна и  управляемость и повторяемость процесса улучшаются, хотя это и требует дополнительной мощности. Тот факт, что зубчатое колесо погружено в охлаждающую среду также способствует решению проблем нежелательного нагрева и растрескивания в области основания зуба. Кроме этого, охлаждающая среда служит для охлаждения индуктора. Поэтому, при таком виде закалке, индуктор не обязательно должен быть водоохлаждаемым.

 

Литература

 

1. Rudnev V., Cook R., Loveless D. and Black M. Induction heat treatment: basic principles, computation, coil construction and design considerations. Chapter 11A of Steel Heat Treatment Handbook (Eds: G. Totten and M. Howes). Marcel Dekker, New York, 1997.

2. Dudley D. Handbook of Practical Gear Design. Technomic Publishing, 1994.

3. Conyngham M. Metallurgical aspects to be considered in gear and shaft design. Gear Technology. Mar./Apr. 1999.

4. Parrish G., Ingham D. and Chaney M. The submerged induction hardening of gears. HEAT TREATMENT OF METALS.1998.1, Vol.25, 1-8 and 1998.2, Vol.25, 43-50.

5. Medlin D. Induction hardening response of 1550 and 5150 steels with similar prior microstructure on induction hardening. Proceedings of the First International Conference on Induction Hardened Gears and Critical Components, Indianapolis, USA, 1995. Gear Research Institute, 1995, 54-65.

6. Alban L. Systematic Analysis of Gear Failure. ASM International, 1985.

7. Rudnev V., Loveless D., Marshall B., Shepeljakovskii K., Dyer N. and Black M. Gear heat treating by induction. Gear Technology. Mar. 2000.

8. Rudnev V., Loveless D., Schweigert K., Rylicki E. and Rugg M. Achieving uniform temperature through induction heating. Metallurgia. Dec. 2000, Vol.67, No.12, 11-12.

9. Rudnev V. et al. Gear heat treating by induction. Journal of the Chinese Society for Metal Heat Treatment, 68, 2001.

10. Wolf J. Progressive induction hardening of gears submerged in quenchant. Industrial Heating. 1979, Vol.46, No.8, 10-12.

11. Review of Literature on Induction Hardening of Gears. Gear Research Institute, Project A-1051 (C553), 1994.

12. American Metal Treating Co., 1999.

13. Lozinskii M.G. Industrial Applications of Induction Heating. Pergamon, London, 1969.

Общество с ограниченной ответственностью

«Индукционные Машины»

 

ИНН 0278194207 КПП 027801001

ОГРН 1120280048030

ОКАТО 80401390000 ОКПО 12702813

ОКОГУ 4210014 ОКФС 16 ОКОПФ 12165

Тел: +7(347)285-75-13

e-mail: im@imltd.ru

www: imltd.ru

 

Юридический адрес

450078, РБ, г.Уфа, ул. Владивостокская, 1а

Физический адрес

450071, г.Уфа, ул. 50 лет СССР, 39, корп.6

Почтовый адрес

450064, а/я 75

Яндекс.Метрика
Каталог предприятий: Официальные сайты фирм, адреса и телефоны организаций

Индукционные Машины, 2017

Закалочные станки * Индукционные установки * Электротермическое оборудование * Индукционные  вихревые нагреватели