Автор работы: Пользователь скрыл имя, 17 Ноября 2014 в 21:47, контрольная работа
В настоящее время в машиностроении большое распространение получила поверхностная закалка.
Поверхностная закалка — это термическая обработка, при которой закаливается только поверхностный слой изделия на заданную глубину, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной.
Введение
1.Теоритические основы ТВЧ.
2.Фазовые превращения в сталях при нагреве ТВЧ.
Вывод
Список литературы
Содержание
Введение
1.Теоритические основы ТВЧ.
2.Фазовые превращения в сталях при нагреве ТВЧ.
Вывод
Список литературы
Введение
В настоящее время в машиностроении большое распространение получила поверхностная закалка.
Поверхностная закалка — это термическая обработка, при которой закаливается только поверхностный слой изделия на заданную глубину, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной.
Поверхностная закалка выгодно отличается от химико-термической обработки значительно меньшей продолжительностью процесса.
Несмотря на большое разнообразие методов поверхностной закалки, все они заключаются в нагреве только поверхностного слоя с последующей закалкой детали. Методы нагрева могут быть различными:
а) в расплавленных металлах или солях;
б) пламенем ацетиленокислородной или газовой горелки (пламенная закалка);
в)в электролитах;
г)электротоком, индуцируемым в поверхностных слоях детали (индукционная или твч).
В последнее время применяют преимущественно последний способ, который широко используют в машиностроении.
1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТВЧ
Первым человеком, который внес в России предложение по применению ТВЧ, был Вологдин. Это было 1923г., но только в 1935г. ТВЧ закалка стала применяться в целях закалки металлов. На данное время закалка используется во всех отраслях нашего машиностроения.
При помощи закалки ТВЧ можно обрабатывать определенные части изделия, которые нуждаются в изменении свойств.
Поверхностную ТВЧ закалку металлов применяют для того, что бы несколько повысить вязкость в центре детали и увеличить твердость закаленного ее слоя. Это можно только благодаря тому, что при закалке верхний слой детали нагревается почти до температуры закалки и сразу же охлаждается, а ее сердцевина сохраняет свои свойства.
Из-за того, что сердцевина детали так и остается вязкой, она становится менее хрупкой. ТВЧ закалка дает возможности закаливания каких-то конкретных частей детали, которым надо придать определенные свойства, но не всю деталь.
Поверхностная закалка состоит в том, что нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки (выше Aс3), быстрое охлаждение в закалочной среде (в воде). В результате такой обработки увеличивается твердость поверхностного слоя детали и повышается его сопротивление истиранию.
Толщина закаленного слоя определяется глубиной нагрева (рис.1).
Рис.1. Распределение температуры от поверхности в глубину при поверхностной закалке
Участок I, нагретый выше Ас3, получает полную закалку. Участок II , нагретый между Ас1 и Ас3, получает неполную закалку. Участок III не нагревается и не получает закалки.
Сущность метода индукционного нагрева ТВЧ заключается в том, что при прохождении переменного электрического тока высокой частоты по медному индуктору вокруг последнего образуется магнитное поле, которое проникает в стальную деталь, находящуюся в индукторе, и индуктирует в ней вихревые токи Фуко. Эти токи и вызывают нагрев металла. (Рис.2)
Рис. 2. Схема индукционного нагрева: а – распределение магнитного потока в индукторе; б – направление токов в индукторе и детали;
1 – нагреваемая деталь; 2 – виток индуктора; 3 – магнитные силовые линии; 4 – направление тока в индукторе; 5 – направление тока в детали
Особенностью нагрева ТВЧ является то, что индуктируемые в стали вихревые токи распределяются по сечению детали не равномерно, а оттесняются к поверхности. Неравномерное распределение вихревых токов приводит к неравномерному ее нагреву: поверхностные слои очень быстро нагреваются до высоких температур, а сердцевина или совсем не нагревается или нагревается незначительно благодаря теплопроводности стали. Толщина слоя, по которому проходит ток, называется глубиной проникновения и обозначается буквой δ.
Толщина слоя в основном зависит от частоты переменного тока, удельного сопротивления металла и магнитной проницаемости. Эту зависимость определяют по формуле:
δ = 5030
где ρ - удельное электрическое сопротивление, Ом см;
μ, - магнитная проницаемость, гс/э;
f- частота, гц.
Из формулы видно, что с увеличением частоты глубина проникновения индукционных токов уменьшается. Ток высокой частоты для индукционного нагрева деталей получают от генераторов.
При выборе частоты тока, кроме нагреваемого слоя, необходимо учитывать форму и размеры детали с тем, чтобы получить высокое качество поверхностной закалки и экономно использовать электрическую энергию высокочастотных установок.
Большое значение для качественного нагрева деталей имеют медные индукторы.
Наиболее распространены индукторы, имеющие с внутренней стороны систему мелких отверстий, через которые подается охлаждающая вода (Рис.3). Такой индуктор является одновременно нагревательным и охлаждающим устройством. Как только помещенная в индуктор деталь нагреется до заданной температуры, ток автоматически отключится и из отверстий индуктора поступит вода и спрейером (водяным душем) охладит поверхность детали.
Рис. 3. Поверхностная закалка с нагревом токами высокой частоты:
1 - закаливаемая деталь; 2 - индуктор; 3 - охладитель
Детали можно также нагревать в индукторах, не имеющих душирующих устройств. В таких индукторах детали после нагрева сбрасываются в закалочный бак.
В зависимости от размера и формы детали применяются различные способы закалки ТВЧ:
Одновременный способ. Деталь помещается в индуктор и сразу нагревается, и затем охлаждается вся поверхность, подлежащая обработке. Такой способ применяется в том случае, когда закаливаемая поверхность сравнительно небольшая и мощность генератора позволяет производить сразу нагрев всей поверхности. Такой способ позволяет осуществлять закалку небольших деталей – валиков, втулок и др. деталей малого сечения.
Последовательный способ. Применяют в основном для крупномодульных зубчатых колёс в тех случаях, когда мощность генератора не позволяет производить одновременный нагрев всех зубьев шестерни. В этом случае закалку осуществляют путем последовательного нагрева и охлаждения отдельных зубьев или группы зубьев.
Непрерывно-последовательный способ. Нагреву поверхности детали подвергается небольшой участок; по мере перемещения детали или индуктора происходит нагрев последующих участков, а ранее нагретые участки детали охлаждаются с помощью спрейера. Такой способ позволяет осуществлять закалку крупногабаритных изделий при небольшой мощности генератора.
Непосредственное включения. Нагрев осуществляют при непосредственном пропускании тока высокой частоты через деталь. Этот способ применяют при закалке деталей сложной формы или закалке отдельной зоны детали у отверстий малого диаметра (звенья цепей, матрицы, фильеры и др.)
Твердость поверхностного слоя деталей, закаленных при нагреве ТВЧ, получается на 3-4 единицы HRC выше, чем твердость при обычной объемной закалке.
Для повышения прочности сердцевины детали перед закалкой ТВЧ подвергают улучшению или нормализации.
Применение нагрева ТВЧ для поверхностной закалки машинных деталей и инструмента позволяет резко сократить продолжительность технологического процесса термической обработки. Кроме того, этот метод дает возможность изготовлять для закалки деталей механизированные и автоматизированные агрегаты, которые устанавливаются в общем потоке механообрабатывающих цехов. В результате этого отпадает необходимость транспортирования деталей в специальные термические цехи и обеспечивается ритмичная работа поточных линий и сборочных конвейеров.
Поверхностная закалка токами высокой частоты имеет ряд преимуществ:
- высокая твердость,
- высокая производительность,
- любой уровень глубины закаленного слоя детали,
- отсутствие окалины,
- возможность закалки деталей любых форм,
- возможность внедрения полной автоматизации закалки.
Поэтому ТВЧ закалка очень хорошо зарекомендовала себя. Это экономичный и высокопроизводительный способ термообработки поверхностей металла, обеспечивающий высокую прочность и качество обработанных изделий.
2.ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛЯХ ПРИ НАГРЕВЕ ТВЧ
Закалка ТВЧ подвергаются различные средне- и высокоуглеродистые и легированные стали, а также чугуны.
Скорости нагрева металла при поверхностной закалке ТВЧ могут достигать 500…10000 С/с. При этом энергия, необходимая для разогрева индуктируется непосредственно в поверхностном слое закаливаемой детали. Высокие скорости нагрева при закалке ТВЧ определяют своеобразие превращений в стальных деталях. Они сводятся к следующему:
Фазовые превращения протекают практически одновременно во всём слое, соответствующем глубине проникновения вихревого тока, так как во всем слое к моменту закалки температура примерно одинакова. В результате уменьшается опасность перегрева и во всем закаленном слое создаются почти одинаковая структура и соответственно одинаковые свойства стали.
2. При большой скорости нагрева фазовые превращения смещаются в область более высоких температур:
Feα (С) + Fe3 С → Fe γ (С)
0,02%С + 6,67 %С → 0,8%С
При этом возможно смещение окончания перлито-аустенитного превращения до температур, лежащих выше температуры полиморфного превращения структурно свободного феррита (Рис.4).
Рис.4.Влияние содержания углерода на температуру нагрева под закалку при различных скоростях нагрева в интервале температур фазовых превращений. Заштрихован интервал температур медленного нагрева под закалку
3. Перлито-аустенитное превращение происходит не при одной неизменной температуре Ас1 , а в интервале температур Ас1… Ас3 , величина которого тем больше, чем выше скорость нагрева (Рис.4). При этом начало превращения перлита в аустенит отмечается при температуре намного превышающей критическую точку Ас1, когда создаются условия для возникновения и устойчивого существования зародышей аустенита.
4. С образованием сверхмелкого аустенитного зерна мартенсит, получаемый при закалке, обычно имеет безигольчатое или мелкоигольчатое строение; в наследственно мелкозернистой легированной стали игольчатость строения мартенсита закалки проявляется при значительном перегреве. В структуре закалённой стали иногда может наблюдаться мелкоигольчатый троостит.
5. Большая скорость нагрева и незначительная выдержка определяют незавершённость диффузионных процессов при ТВЧ нагреве. Поэтому образующийся аустенит в микрообъёмах неоднороден по содержанию углерода и его превращение в мартенсит при охлаждении происходит в некотором диапазоне температур (М -М )(Рис.5). При этом в микрообъёмах с пониженной концентрацией углерода (х ) кристаллы мартенсита образуются при более высокой температуре М . У таких кристаллов в процессе охлаждения (при закалке) развивается самоотпуск, т.е. происходит частичное выделение мелкодисперсных карбидов и в результате возникает структура – мартенсит закалки, мартенсит отпуска, карбиды и сохраняется 2…3% остаточного аустенита.
Рис.5. Зависимость температуры начала М и окончания М мартенситного превращения.
Вследствии кратковременности нагрева при закалке ТВЧ к исходной структуре стали предъявляются повышенные требования. В частности крупные ферритные участки, имеющиеся в исходной доэвтектоидной стали, не успевают растворится в аустените при нагреве и остаются в закалённой зоне, при этом резко снижается механические свойства и износостойкость изделия:
Ф + П → Ф +А → Ф + Мзак + Мотп + К + Аост
В связи с этим закалке ТВЧ целесообразно подвергать доэвтектоидные стали после предварительной термической обработки – закалки с высоким отпуском, либо нормализации, если она приводит к получению дисперсной тонкопластинчатой структуры – сорбита или троостита без избыточного феррита или с мелкими его включениями.
Вывод
Рассматривая данную работу можно сделать следующие выводы, поверхностная закалка ТВЧ имеет ряд преимуществ: возможность получения закаленного слоя любой глубины, возможность закалки любых поверхностей и деталей различной конфигурации, получении высокой твердости, отсутствие окисления и образовании окалины. Эти положительные качества и быстрота процесса, большая производительность и возможность автоматизации позволяют считать метод высокочастотной закалки одним из наиболее рациональных.
Список литературы: