Оборудование для индукционных систем. Основы индукционной закалки

 

Д.Дж. Вильямс, Г.Дж. Трэверс, Э.Ф. Коминарс

 

 Аннотация

 Настоящая статья посвящена решению задачи выбора индукционного оборудования.  Начинающие, продвинутые и опытные пользователи найдут в ней указания о том, как успешно выбрать оборудование для различных технологических процессов индукционного нагрева. Основное внимание авторы уделили описанию принципов индукционного нагрева.

 

 Что такое индукционный нагрев?

 Явление индукции – это электромагнитный процесс, используемый для нагрева металлических деталей. Магнитное поле формируется в медном индукторе, по которому течет ток с заданной частотой и в котором выделяется мощность для осуществления нагрева. В основном нагрев происходит из-за того, что токи наводятся в заготовке, а также, частично, из-за явления гистерезиса.

 

 Почему используется индукционный нагрев?

 Преимущества индукционного нагрева:

 - Синхронное производство. В то время как печи из-за их размеров и температуры зачастую расположены в различных точках завода, далеко от производственной линии, индукционное оборудование обеспечивает синхронное производство, так как является одной из ячеек производственной линии. Если это необходимо для непрерывного потока, индукторы могут располагаться в нескольких местах производственной линии.

 - При использовании индукционного нагрева необходимо выполнять меньше процессов. Можно обойтись без операций покраски и меднения, поскольку можно закаливать выборочные части.

 - По сравнению с печью, в которой все детали обрабатываются партией, индукционное оборудование допускает обработку деталей поодиночке. Возможность закалки единичной детали допускается или отвергается на основании правильно подобранных параметров процесса.

 - Индукционное оборудование не требует «прогрева» перед началом работы.

 - Индукционное оборудование не производит излучений.

 - При обработке на индукционном оборудовании искажение формы заготовок сводится к минимуму.

 - Индукционное оборудование очень эффективно, так как нагревается только закаливаемая область (а не деталь целиком). Окружающая атмосфера не греется. Поскольку индукционное оборудование бездействует 75% времени, расход энергии сведен к минимуму.

 

 Какие технологические процессы можно выполнять с помощью индукционного нагрева?

 

 Любой из перечисленных ниже процессов можно выполнить с помощью индукционного нагрева:

 

 Предварительный нагрев

 Предварительный нагрев как частный случай гальванизации необходим для предупреждения адгезии и предотвращения нежелательной отдачи тепла из ванны с горячим цинком при прохождении сквозь нее трубки или листового железа. Некоторые материалы, такие как титан и вольфрам, должны быть предварительно нагреты перед ковкой для предотвращения растрескивания или раскрашивания.

 

 Закалка

 Закалка – это процесс нагрева металла до температуры выше температуры аустенизации с последующим быстрым охлаждением. Закаленная поверхность становится прочной и износостойкой, в то время как сердцевина детали остается мягкой и пластичной.

 

 Отпуск

 Отпуск часто путают с отжигом и иногда называют снятием напряжений. Это более низкотемпературный процесс (температура составляет от 1/5 до 1/3 температуры аустенизации), необходимый для снятия напряжений, вызванных холодной обработкой или закалкой.

 

 Отжиг

 Отжиг – это процесс нагрева металла с последующим медленным охлаждением (для того чтобы сделать металл мягким), как правило, в печи или в высокочастотной печи. Оптимальная температура отжига зависит от материала (должна быть ниже номинальной критической температуры). Отжиг улучшает упругость, пластичность и релаксационные свойства металла и чаще всего делается в среде инертного газа с целью предотвращения поверхностного окисления. Индукционное оборудование способно обеспечить процесс отжига.

 

 Нормализация

 Нормализация – это процесс нагрева металла до температуры выше температуры аустенизации с последующим его охлаждением при комнатной температуре. При этом твердость и прочность металла улучшаются.

 

 Тепловая диффузия

 Тепловая диффузия – еще один процесс, требующий нагрева (например, при производстве стального шнура для каркасов автомобильных шин). Пока происходит металлизация латунью, тепловая диффузия обеспечивает получение точного расчетного соотношения меди и цинка. Она также используется при цианировании для нейтрализации опасных отходов.

 

 Сращивание

 Для соединения нескольких металлических частей используются пайка твердым припоем и пайка мягким припоем.

 Стыковая сварка используется для увеличения коэффициента адгезии при присоединении элементов дверных панелей.

 Насадка штуцеров в горячем состоянии обеспечивается за счет теплового расширения сопрягаемых поверхностей по внутреннему и внешнему диаметру и происходит за счет выборки зазора между сопрягаемыми поверхностями при охлаждении.

 

 Горячее формообразование и ковка

 Процессы предварительного нагрева материала перед ковкой, формообразованием и нагревом до более высоких температур, применяемые для малотоннажных партий заготовок перед прессованием, деформацией и другими видами формообразования.

 

 В чем различие между локальной закалкой и закалкой сканированием?

 Изолированная область детали может быть нагрета постепенно или за короткое время. Первый способ называется закалкой сканированием, последний – локальной закалкой.

 

Преимущества локальной закалки и закалки сканированием

Закалка сканированием

1. Гибкость

2. Меньшие габариты установки

3. Одновременное производство

4. Увеличение производительности

5. Локализация нагрева

6. Требуется меньшая мощность

7. Требуется меньше инструмента

 

Локальная закалка

1. Скорость

2. Сокращение производственного цикла

3. Возможность приспособления в случае сложных геометрических форм

4. Лучшая приспособленность для больших объемов производства

 

 Важные термины

 

 Удельное сопротивление

 Удельное сопротивление – это сопротивление электрическому току в проводящем материале при удельной температуре. Сопротивление измеряется в омах.

 

 Проводимость

 Проводимость – это способность материала проводить электрический ток. Она зависит от числа свободных электронов, которые отсоединились от атома. Материалы, имеющие много свободных электронов, называются проводниками, а прочие материалы, имеющие мало свободных электронов – диэлектриками. Проводимость является величиной, обратной сопротивлению и измеряется в Мо (См).

 

 Магнитная индукция и магнитная проницаемость

 Магнитная индукция – это процесс наведения тока в электропроводном материале, который происходит при изменении потока поля. Результатом этого процесса является нагрев.

 Магнитная проницаемость характеризует проводимость материала вдоль силовых линий. Чем выше проницаемость, тем меньше сопротивление вдоль силовой линии. При меньшем сопротивлении на силовой линии сами силовые линии (и результирующий ток) будут замыкаться на поверхности.

 Проницаемость рассчитывается по формуле:

μ=B/H,

где μ – проницаемость;

 B – плотность потока (индукция), Вб/м2;

 H – напряженность поля, А/м.

 

 Постоянная намагничивания рассчитывается как:

μ=4π*10-7 Вб – проницаемость воздуха

 Другой физический смысл проницаемости – число, показывающее, во сколько раз больше силовых линий содержится в материале по сравнению с воздухом. Пять элементов имеют проницаемость больше 1. Три наиболее часто используемых – это кобальт (Co), железо (Fe) и никель (Ni). В общем случае проницаемость понижается с повышением температуры материала и становится равной единице при достижении материалом точки Кюри.

 

 Важные факторы, определяющие потребность в оборудовании

 1. Измерение заготовки перед термообработкой.

 Очень полезны чертежи и технологические карты. Поставщик индукционного оборудования изучит документацию и определит параметры процесса и установки.

 2. Производительность.

 Для определения производственного цикла и выбора соответствующего источника питания поставщик индукционного оборудования должен знать количество деталей, которые необходимо производить (за день, неделю или месяц), а также количество смен на заводе за сутки. Информация, которую прежде всего необходимо иметь – требуемая производительность оборудования за час.

 3. Материал детали.

 Содержание углерода, легирующих элементов и первичная микроструктура влияют на количество мощности и требуемое время обработки. Детали с низким содержанием углерода (менее 0,2 %) могут подвергаться цементации (вводу углерода) перед индукционным нагревом для увеличения интенсивности нагрева при технологических процессах, включающих закалку.

 На рисунке 1 показаны приблизительные времена нагрева для различных типов металлов. Разумеется, реальные времена будут варьироваться в зависимости от диаметра, толщины и площади нагреваемой заготовки.

 

Рисунок 1. Номинальные времена нагрева в зависимости от содержания углерода при индукционной закалке

 

 4. Глубина закаленного слоя (глубина проникновения).

 Выбор частоты очень важен для получения точного результата. Выбор слишком высокой частоты приводит к слишком маленькой глубине нагрева. Выбор слишком низкой частоты приводит к снижению интенсивности нагрева за счет снижения напряженности поля, вызванной увеличением глубины проникновения.

 Определение частоты начинается с оценки образца заготовки.

Рисунок 2. Первичная микроструктура влияет на способность материала к индукционной закалке. Большая мощность или большее время могут потребоваться для некоторых материалов, которые были предварительно полностью отожжены.

 

 5. Твердость, необходимая после нагрева.

 Твердость зависит от материала и, вообще говоря, уточняется покупателем. Факторами, влияющими на твердость, являются содержание углерода, легирующих добавок и исходная микроструктура материала.

 

 6. Необходимые технологии (закалка, отпуск, отжиг и т.д.).

 

 Как реализуются технологии?

 

 Типичные технологии индукционного нагрева управляются следующими параметрами процесса:

 1. Определение времени нагрева

 Процесс индукционной термообработки включает следующие этапы:

Загрузка/выгрузка 6 – 10 секунд

Суммарное время входа/выхода заготовки в индуктор 2 – 4 секунды

Нагрев 1 – 10 секунд

Задержка перед закалкой 0 – 2 секунды

Закалка 2 – 10 секунд

ВСЕГО 11 – 36 секунд*

 

 * Если необходим отпуск, добавить от 6 до 8 секунд.

 Реальное время зависит от производительности, материала заготовки, источника питания и т.д. (См. рисунок 2).

 

 2. Уровень мощности

 Уровень мощности является функцией площади поверхности:

 

Площадь поверхности = πdh x 2 (например, для шестерен)

(упрощенная формула)

 

 Например, если шестерня имеет диаметр 4 дюйма и высоту 1/2 дюйма, то

 

Площадь поверхности = 3,14*4*1/2*2 = 12,5 дюймов

 

 Умножая  на удельную мощность 12,5*10 = 125 кВт.

 

 В некоторых случаях, тип и мощность источника питания определяются удельной теплоемкостью металла, массой обрабатываемого металла и температурой, до которой необходимо произвести нагрев.

 

Начальные условия кВт/кв. дюйм

Нормализация 10 – 12

Отжиг 10 – 12

Закалка 8 – 10

 

 3. Частота

 Основываясь на глубине проникновения, вычисляется требуемый уровень закаленного слоя. Частота является функцией глубины. Чем выше частота, тем меньше глубина проникновения. Если частота слишком низкая, заготовка практически не будет нагреваться (см. рисунок 2).

 

 4. Позиционирование/вращение заготовки

 Основываясь на объеме выпуска, бюджетных требованиях, стандарте предприятия и другой информации, поставщик может предложить пути наилучшей загрузки продукции (ручной или автоматической). Среди прочих за и против, ручная загрузка дешевле, в то время как автоматическая более надежная.

 

 5. Охлаждающий поток

 Важен только для технологии закалки. Тепло должно быть очень быстро и точно отведено из стали. Эффективность отвода тепла в большой степени зависит от потока охлаждающей жидкости.

 

 6. Концентрация охлаждающей среды и методы фильтрации

 Охлаждающие среды зависят от технологий. Вода, смесь вода-полимер, растворимые масла, водной раствор соли, масло и даже свинец могут быть выбраны в качестве охлаждающей среды. Некоторые технологии, использующие материалы с низкой закаливаемостью, лучше всего обрабатываются при прямом охлаждении водой. Производители полимерных охлаждающих жидкостей должны консультировать потребителя в каждом случае их применения на предмет совместимости с другими жидкостями.

 Фильтрация охлаждающей среды необходима для уверенного обеспечения требуемой консистенции и продления срока эксплуатации. Твердые частицы в охлаждающей жидкости могут забивать отверстия малых диаметров, через которые она подается на закаливаемую поверхность. Размер этих отверстий определяется когда выбирается сита или фильтры в системе подачи охлаждающей среды. Размер ячейки сита должен быть меньше, чем размер отверстия, через которое подается охлаждающая среда.

 К другим, менее важным факторам, относятся температура охлаждающей среды и время закалки.

 

 Дополнительная информация

 Стоимость оборудования для индукционной обработки может колебаться от 100000 до 500000 долларов в зависимости от производительности. Если компания производит детали в течении 5 лет по 200000 деталей в год, то стоимость одной детали будет 25 центов.

 К дополнительным расходам относятся расходы на:

- электричество;

- градирню или охладитель воды;

- охлаждающую жидкость;

- размещение емкостей для охлаждающей жидкости;

- индукторы и систему загрузки/выгрузки деталей;

- производственные площади;

- стоимость предварительной наладки;

- оплату работы оператора;

- настройку;

- ежедневную амортизацию и транспортировку обрабатываемой детали.

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