vědomosti

Existují dva typy způsobů vysokofrekvenčního kalení: První z nich je současný ohřev a kalení, které zahrnuje zahřívání povrchu obrobku, který potřebuje současně kalit, a poté jej rychle ochlazovat; druhý je sekvenční kontinuální ohřev a kalení, kdy se malá část povrchu obrobku zahřívá indukčním ohřevem, zatímco se obrobek pohybuje dolů, což umožňuje sekvenční a kontinuální ohřev a chlazení povrchu.

Při výrobě víceodrůdových a malosériových dílů mohou různé materiály vyžadovat různá kalicí média. Proto se většinou používá zhášecí metoda simultánního ohřevu. U dílů s velkou plochou kalícího povrchu se vzhledem k omezením výkonu zařízení a dalším faktorům uvažuje pro kalení metoda kontinuálního ohřevu.

1. Vysokofrekvenční povrchové kalení vnitřního otvoru obrobku z martenzitické nerezové oceli

(1) Potíže se zpracováním

Obtížnosti zpracování vysokofrekvenčního povrchového kalení vnitřního otvoru obrobku z martenzitické nerezové oceli je dosaženo současným ohřevem. Hlavní potíže spočívají v materiálu nerezové oceli a povrchovém kalení vnitřního otvoru.

Během procesu vysokofrekvenčního indukčního ohřevu, kdy teplota překročí bod demagnetizace materiálu (bod demagnetizace ocelových materiálů je obecně kolem 700-800 ℃), se kapacita elektromagnetické indukce materiálu snižuje a rychlost ohřevu několikrát klesá. Další zahřívání je obtížné. U nerezové oceli je teplota tepelného zpracování vysoká, obecně nad 1000 ℃, a zahřátí na teplotu kalení materiálu je ještě náročnější. Na druhou stranu je díky své vysoké teplotě tepelného zpracování, která se blíží bodu tavení materiálu, rychlost ohřevu nad bodem demagnetizace nižší, ale stále je rychlejší než u konvenčního tepelného zpracování a je obtížně ovladatelný, což představuje riziko přehřátí a roztavení povrchu dílů.

Prstencový efekt je jedním ze tří hlavních efektů indukčního ohřevu a je také důvodem obtížnosti ohřevu vnitřního otvoru. I při použití indukční cívky k ohřevu obrobku se proud procházející indukční cívkou koncentruje na vnitřním povrchu cívky. Při ohřevu vnějšího povrchu obrobku odpovídá vnitřní povrch indukční cívky vnějšímu povrchu obrobku, což přispívá k ohřevu obrobku. Při ohřevu povrchu vnitřního otvoru obrobku je však směr přesně opačný, což výrazně snižuje elektrickou účinnost indukční cívky a nepřispívá k ohřevu obrobku. Navíc při provádění indukčního kalení na vnitřním otvoru obrobku je topná plocha uvnitř obrobku a pro operátora není snadné jej přímo pozorovat zvenčí. To do určité míry zvyšuje provozní náročnost.

U kulového ložiska určitého výrobku (jak je znázorněno na obrázku 1) je nutné provést kulové kalení o průměru 28 mm. Materiálem je martenzitická nerezová ocel 20Cr13 a kalicí tvrdost by měla být v rozmezí 35 až 45 HRC. Kromě výše uvedených problémů s ohřevem má tento obrobek kulovou topnou plochu namísto přímého vnitřního otvoru, což nevyhnutelně vede ke zvětšení mezery mezi induktorem a topnou plochou obrobku. To dále snižuje elektrickou účinnost. Obvykle se pro vysokofrekvenční kalení s vnitřním otvorem, aby se překonaly nepříznivé účinky prstencového efektu na ohřev obrobku, nastavil na induktoru magnetický vodič, který změnil rozložení magnetického pole a přinutil proud, aby se distribuoval blíže k povrchu, kde je třeba obrobek zahřát, čímž se zlepší účinek ohřevu. Vnitřní otvor tohoto obrobku je však relativně malý. Po odstranění mezery mezi induktorem a obrobkem a také velikosti samotného induktoru je vnitřní průměr induktoru menší než 13 mm, což znemožňuje instalaci magnetického vodiče. Pro indukční kalení tohoto obrobku je jedinou cestou optimalizace parametrů procesu a zlepšení procesu ohřevu pro maximalizaci kapacity zařízení.

 

(2) Schéma procesu kalení

Schéma procesu kalení zahrnuje dobu ohřevu, teplotu kalení a médium kalení.

Mnoho lidí věří, že vysokofrekvenční indukční kalení patří k okamžitému ohřevu a může dosáhnout kalící teploty během několika sekund. Toto chápání odráží obecnou situaci, ale není úplné. V některých případech bude rychlost ohřevu nižší. Za určitých zvláštních okolností, snížením výstupního napětí a jinými prostředky ke zpomalení rychlosti ohřevu dílů, může vyhovět potřebám některých speciálních obrobků nebo speciálním technickým požadavkům. Pro tento obrobek není rychlý ohřev v důsledku existence mnoha nepříznivých faktorů proveditelný. Vzhledem k nutnosti vizuálních teplotních změn a zabránění přehřátí nebo dokonce jevu natavení povrchu pro zajištění kvality kalení je pro zaručení kvality kalení nutné vycházet z nižší rychlosti ohřevu. Pokud je rychlost ohřevu příliš pomalá, ztratí se výhoda povrchového kalení a v důsledku vedení tepla bude vytvrzená vrstva příliš velká. Praxe ukázala, že regulace doby ohřevu tohoto obrobku v rozmezí 2.5 až 3 minut je poměrně vhodná.

Teplota kalení obrobku by měla být určena na základě typu oceli, původní mikrostruktury a rychlosti ohřevu v zóně fázové transformace. Za určitých podmínek, kdy je typ oceli a původní mikrostruktura fixní, je teplota kalení určena hlavně rychlostí ohřevu. Čím vyšší je rychlost ohřevu, tím vyšší je požadovaná teplota kalení. Rychlost ohřevu pro vysokofrekvenční kalení je mnohem vyšší než u konvenčního tepelného zpracování, takže teplota kalení pro vysokofrekvenční kalení je obecně vyšší než pro konvenční tepelné zpracování. U kloubových ložisek dochází z různých důvodů k mnoha potížím při zahřívání a teplota kalení by neměla být příliš vysoká. Čím vyšší je teplota kalení, tím je obtížnější ji dosáhnout. To je také jeden z důvodů, proč zvolit pomalejší rychlost ohřevu. Přestože byla zvolena nižší rychlost ohřevu, stále patří k rychlému ohřevu. Uvažování nižší rychlosti ohřevu znamená, že doba austenitizace je delší než doba rychlého ohřevu. Po komplexní analýze různých faktorů by teplota kalení měla být stejná nebo mírně vyšší než u konvenčního tepelného zpracování.

Martenzitická nerezová ocel má dobré kalicí vlastnosti. Pokud velikost obrobku není příliš velká, může být plně zchlazena samotným vzduchovým chlazením. Účinná tloušťka kloubových ložisek je menší než 10 mm a jsou povrchově kalená. Teoreticky by mělo být zvoleno chlazení vzduchem. Současně, vezmeme-li v úvahu zvláštní situaci volby nižší kalicí teploty, aby byl zajištěn kalicí účinek obrobku a byly splněny požadavky na tvrdost, má kalení vzduchovým chlazením nevyhnutelně určité nejisté faktory. Volba rychlejšího chladícího média pro kalení a kompenzace možného defektu nižší kalicí teploty se stává nevyhnutelnou volbou. Rychlost chlazení oleje je výrazně lepší než u chlazení vzduchem. Mezi různými zhášecími médii patří k těm pomalejším. Po zahřátí obrobku na kalicí teplotu a okamžitém ponoření do oleje pro kalení lze dosáhnout kalícího efektu. Nižší rychlost chlazení nezpůsobuje vady jako jsou praskliny a může stabilně a efektivně plnit technické požadavky.

(3) Skutečný účinek

Po kalení kulových ložisek podle výše uvedeného schématu byla tvrdost kulových ploch nad 45 HRC. Po kalení a popouštění při 480 °C zůstala tvrdost nad 40 HRC a rozložení tvrdosti každého obrobku a každé části obrobku bylo jednotné a stabilní, což naznačuje, že obrobky plně splňovaly požadavky na kalení. Úspěch kalení tohoto obrobku poskytuje výhodnou referenci pro kalení obrobků z nerezové oceli s vysokou obtížností ohřevu a povrchové kalení vnitřních otvorů.

2. Hluboce kalené povrchové kalení větších dílů

(1) Potíže se zpracováním

Povrchové kalení tohoto obrobku také využívá metodu současného ohřevu. Hlavní potíže při zpracování spočívají v omezeních způsobených výkonem zařízení a proudovou frekvencí.

Vysokofrekvenční kalení zahrnuje rychlý ohřev během krátké doby, což vyžaduje zahřátí materiálu na velmi vysokou teplotu během krátké doby. Základem je dostatečný topný výkon. Čím větší je ohřívaný povrch obrobku, tím větší je požadovaný výkon. Když je vyhřívaný povrch dostatečně velký, je obtížné dosáhnout hladkého současného zahřívání kvůli omezení výkonu zařízení.

Když obrobek prochází indukčním ohřevem, hloubka průniku proudu je určena aktuální frekvencí. Tento princip dělá z frekvence proudu hlavní faktor určující hloubku vytvrzené vrstvy. Aktuální frekvence vysokofrekvenčního zhášecího zařízení je obecně pevná. Například současná frekvence vysokofrekvenčního zařízení je 200-300 kHz, což odpovídá hloubce tepelného průniku 0.9-1.1 mm. To omezuje další prohlubování hloubky vytvrzené vrstvy.

Tažný kolík určitého výrobku (jak je znázorněno na obrázku 2 pro zhášecí část) je klíčovou součástí výrobku. Je vyroben z konstrukční oceli legované 40Cr a vyžaduje vysokofrekvenční kalení na vnějším kulatém povrchu o průměru 89 mm. Tvrdost při kalení by měla být mezi 50 a 60 HRC a hloubka vytvrzené vrstvy by měla být 2.5 až 4.5 mm. Tento obrobek vyžaduje větší rozměr kalící plochy. Kromě potřeby většího výkonu pro ohřev je významnějším problémem ovlivňujícím ohřev to, že kalicí částí je konkávní drážka obrobku. Velkým problémem je také výroba indukční cívky. Pokud je indukční cívka vyrobena konvenčním způsobem, to znamená, že vnitřní průměr indukční cívky je o něco větší než průměr kalícího povrchu, pak musí být indukční cívka vyrobena na místě, což je velmi problematické. Kromě toho může být obrobek kalen pouze po poškození indukční cívky a každý obrobek vyžaduje odpovídající indukční cívku pro vysokofrekvenční povrchové kalení, což má také problém s výrobní chybou pro každou indukční cívku. Pokud je vnitřní průměr indukční cívky větší než sousední průměr průřezu, to znamená větší než 111 mm, pak se vzdálenost mezi indukční cívkou a zhášecí částí zvětší o 11 mm a účinnost ohřevu indukce se výrazně sníží. Pokud jde o hloubku vytvrzené vrstvy, rozsah 2.5 až 4.5 mm je 2.5 až 4.5 násobek normální hloubky tepelného průniku. Pro zvětšení hloubky vytvrzené vrstvy lze obecně využít principu vedení tepla, to znamená využitím vlastnosti, že teplo je vedeno z povrchu do středu, lze zvětšit tloušťku topné vrstvy. Spoléhat se pouze na způsob vedení tepla však vyžaduje velký teplotní rozdíl od povrchu dovnitř. Často, když požadovaná hloubka vytvrzené vrstvy dosáhne kalící teploty, je povrchová teplota již příliš vysoká, což má za následek vady, jako je přehřívání a přepalování povrchové struktury.

(2) Schéma procesu kalení

Pro dokončení kalení tohoto obrobku byl speciálně vyroben indukční ohřívač a řízení procesu bylo posíleno přijetím režimu přerušovaného ohřevu.

S ohledem na různé charakteristiky trakčního čepu jsme změnili tradiční způsob výroby snímače a vyrobili snímač ve tvaru půlkruhu. To překonává výše uvedené obtíže tradičního snímače při provádění vysokofrekvenčního kalení na tomto obrobku. Může dosáhnout nejlepší možné shody vzdálenosti mezi snímačem a topnou plochou a je také vhodné oddělit obrobek od snímače pro kalení. Ve specifickém provedení operace se obrobek otáčí soustředně vzhledem k senzoru, aby se dosáhlo okamžitého ohřevu půlkruhu a celkového ohřevu všech kalících ploch (viz obrázek 3).

Jak již bylo zmíněno dříve, když se ocelové materiály zahřejí na určitou teplotu, ztratí svůj magnetismus a rychlost ohřevu se několikanásobně sníží. Během vlastního procesu ohřevu, kdy se na povrchu objeví tenká vrstva přesahující bod demagnetizace, se náhle zvýší intenzita vířivých proudů na přechodu sousedícím s touto tenkou vrstvou a stane se součástí s nejvyšší rychlostí ohřevu. Dojde k jevu, kdy rychlost ohřevu vysokoteplotní povrchové vrstvy klesá, zatímco přechod se ohřívá rychleji a pohybuje se dovnitř. Tento jev je výhodný pro zvětšení hloubky vytvrzené vrstvy, ale rychlost ohřevu vysokoteplotní povrchové vrstvy je mnohem vyšší než rychlost napojení oblasti ve vrstvě. Tendence přehřívání a přepalování v povrchové vrstvě je stále velmi závažná. V tuto chvíli je nutné najít optimální konfiguraci parametrů jako je napětí a rychlost ohřevu, přísně kontrolovat proces ohřevu a snažit se zvýšit hloubku vytvrzené vrstvy při zajištění kvality.

Požadavek na hloubku vytvrzené vrstvy tažného čepu je poměrně velký. Přestože parametry samy o sobě postačují k plnému splnění technických požadavků, stále existuje nedostatek, pokud jde o ostatní techniky. Je použito přerušované zahřívání, to znamená, že když teplota nedosáhla zhášecí teploty, zahřívání se dočasně zastaví, aby se umožnilo více tepla z povrchu vést dovnitř. Poté se ohřev obnoví. To je ekvivalentní prodloužení doby vedení tepla a snížení teplotního gradientu z povrchu do interiéru. Tento proces se několikrát opakuje, aby se zajistilo, že povrchová teplota nestoupne příliš vysoko a nezpůsobí přehřátí nebo přepálení. Účelem je dosáhnout rovnoměrnějšího dosažení kalící teploty v rozmezí 2.5 až 4.5 mm od povrchu dovnitř.

(3) Skutečný účinek

Po provedení opatření, jako je vylepšení konstrukce snímače, optimalizace procesních parametrů a přerušované zahřívání, může být povrchová tvrdost trakčního kolíku po vysokofrekvenčním kalení stabilně udržována na hodnotě kolem 55 HRC, přičemž hloubka vytvrzené vrstvy je více než 3 mm. Použitím vysokofrekvenčního kalení byl splněn požadavek na hloubku kalené vrstvy vhodné pro středofrekvenční kalení. Navíc díky zdokonalení snímače může být obrobek kalen nepřetržitě a jeden po druhém, což účinně zlepšuje efektivitu práce.

3. Záležitosti, které je třeba poznamenat

Pro zajištění kvality zpracování je třeba vzít v úvahu následující body:

(1) Údržba zařízení je nanejvýš důležitá. Vzdálenost mezi vysokofrekvenčním induktorem a obrobkem by měla být co nejmenší, aby se minimalizovaly ztráty elektrické energie a zajistil se maximální požadavek na výkon pro současný ohřev.

(2) Nejběžnější forma induktoru je vyrobena ohýbáním měděných trubek do spirálového tvaru. Při navrhování a výrobě takových induktorů by se měly co nejvíce používat měděné trubky s větším průměrem a počet závitů by měl být snížen, aby se snížila indukční reaktance a zajistila se účinnost ohřevu.

4. závěr

Vysokofrekvenční indukční kalení je komplexní proces a spadá do kategorie speciálního tepelného zpracování při tepelném zpracování. Navíc dosažení současného ohřevu je ještě náročnější. Při skutečném provozu je třeba komplexně zvážit různé faktory, jako je výkon zařízení, pracovní frekvence, induktor, parametry tepelného zpracování, transformace mikrostruktury materiálu, zhášecí médium a způsob chlazení, aby se dosáhlo optimální koordinace těchto faktorů. Tím se maximalizuje potenciál zařízení a co nejvíce splní potřeby současného ohřevu a kalení více druhů a malosériových obrobků.

Máte-li jakékoli dotazy, neváhejte nás kontaktovat na adrese info@castings-forging.com