Реферат по курсу - Теория термической обработки - файл n1.doc

Реферат по курсу - Теория термической обработки
скачать (277 kb.)
Доступные файлы (1):

277kb.

30.05.2012 00:40

n1.doc

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТК

КАФЕДРА МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ

Контрольная работа

по курсу: «Теория термической обработки»

Мариуполь

2008

СОДРЖАНИЕ

стр.

Введение

1. Принцип и кинетика индукционного нагрева стали токами высокой частоты при термической обработке

2. Энергетические и термические параметры индукционного нагрева

3. Выбор частоты тока

4. Преобразователи частоты

5. Выбор мощности преобразователя частоты и питающей сети

6. Поверхностная закалка одновременным и непрерывно-последовательным способом

Вывод
Перечень ссылок

3
4
6

7

8

9
12

14
15

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время индукционный нагрев токами высокой частоты является одним из основных видов нагрева при термической обработке изделий в машиностроении и металлургии. Так, на автомобильных заводах ЗИЛ и ГАЗ относительный объем деталей, упрочняемых закалкой при индукционном нагреве, составляет более 60% от общей массы упрочняемых деталей автомобиля.

Применение индукционного нагрева позволяет разрабатывать наиболее рациональные и эффективные технологические процессы упрочнения для массового производства, сочетающие высокую степень механизации и автоматизации с простотой обслуживания. Индукционные установки, как уже отмечалось, хорошо вписываются в линии самых различных видов обработки металла (механической обработки, штамповки, сварки), позволяя создавать оптимальные технологические маршруты в массовом производстве деталей. Индивидуальный нагрев и охлаждение деталей создают предпосылки для наиболее высокого и стабильного качества термической обработки.

1. ПРИНЦИП И КИНЕТИКА ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА СТАЛИ ТОКАМИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
Нагреваемую деталь (рисунок 1.1) помещают в индуктор, представляющий собой проводник или катушку, питаемую переменным электрическим током. Внутри катушки создается переменное магнитное поле, которое взаимодействует с металлом детали и в соответствии с законом электромагнитной индукции возбуждает в поверхностных слоях металла электродвижущую силу, и соответственно переменный ток той же частоты, что и ток индуктора. За счет теплового действия тока происходит нагрев детали.

Переменный ток распределяется неравномерно по сечению детали и протекает преимущественно в поверхностных слоях (поверхностный эффект). При этом около 87% всей тепловой энергии выделяется в слое, характеризуемом глубиной проникновения тока и определяемом по формуле:
?
(1.1.)
~ 5030

где ? – глубина проникновения тока, см;

? – электрическое сопротивление материала детали, Ом-см;

? – относительная магнитная проницаемость;

f – частота тока, Гц.
Характер изменения ? и ? материала детали с повышением температуры определяет особенности кинетики индукционного Нагрева. В стали это приводит к замедлению нагрева поверхности при достижении температур 730-770°С (рисунок 1.2), что связано с потерей сталью ферромагнитных свойств вследствие фазовых превращений (образования парамагнитного аустенита) или Превышения точки Кюри феррита (768°С). Относительная магнитная проницаемость становится равной единице, возрастает глубина проникновения тока и тепловая энергия начинает выделяться в более толстом слое.

Рисунок 1.1 Схемы 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

Рисунок 1.2 Термические кривые индукционного нагрева:

f_К – конечная температура нагрева;

?_общ – общее время нагрева;

?_Ф1, ?_Ф2 – скорости нагрева в области фазовых превращений.

2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ТЕРМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА
Энергетически индукционный нагрев характеризуется значениями удельной мощности (мощности, переходящей в теплоту в 1 см² поверхности нагреваемой детали) и временем нагрева. Кроме этих параметров для оценки характера и результатов нагрева необходимо учитывать также частоту тока, определяющего глубину активно нагреваемого слоя детали.

Для осуществления поверхностного нагрева применяют большую удельную мощность (0,5-2,0 кВт/см²) и малое время нагрева (2-10 с). При необходимости глубинного или сквозного прогрева (например, для осуществления объемно-поверхностной закалки, нагрева под обработку давлением) потребная удельная мощность ниже (0,05-0,2 кВт/см²), время нагрева 20-200 с в зависимости от размеров сечения детали или заготовки.

Технологически индукционный нагрев характеризуют термическими параметрами, определяющими условия протекания фазовых превращений в стали. В отличие от печного нагрева, где параметрами, определяющими результат нагрева, служат конечная температура и общее время нагрева, при индукционном нагреве такими параметрами являются конечная температура t_К и средняя скорость нагрева в области фазовых превращений ?_Фср (рисунок 1.2). Необходимость знания ?_Ф связана с описанной выше особенностью кинетики индукционного нагрева, когда скорость нагрева в температурной области фазовых превращений существенно отличается от средней скорости нагрева, В частности, на рисунке 1.2 показано, что при одинаковом общем времени и конечной температуре нагрева, время пребывания стали при температурах образования аустенита может быть существенно различным, а именно это время и определяет результаты аустенитизацни (полноту образования аустенита, его гомогенность и величину зерна).

Основными параметрами, определяющими выбор высокочастотного оборудования для термообработки конкретных деталей являются частота тока и мощность преобразователей частоты.

3. ВЫБОР ЧАСТОТЫ ТОКА
Частоту тока выбирают по следующим соотношениям:

(3.1.)

f ? 20 000/d²;

(3.2.)

?_н = (15 – 55) (1 /

),
Соотношение (3.1.)определяет наименьшую желательную частоту тока f, Гц в зависимости от диаметра нагреваемых изделий d, см. При меньшей частоте деталь данного сечения либо вообще нельзя нагреть выше температуры потери магнитных свойств (если f < 5000/d² либо (при 20 000/ /d³ >f> 5000/d³) нагрев будет неэффективным с большим перерасходом энергии.

Соотношение (3.2.)позволяет определить оптимальную глубину слоя ?_н, см в деталях из низколегированных конструкционных сталей, нагреваемого до надкритических температур при данной частоте тока.

4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ
Преобразователи частоты выпускают различных типов.

Машинные преобразователи средней частоты бывают: а) типа ВПЧ на частоты 2,4кГц (мощностью 50 и 100кВт), и 8кГц (мощностью 30, 50, 100кВт); б) типа ОПЧ на частоты 1кГц (мощностью 250, 320, 500, 2500кВт), 2,4кГц (мощностью 250 и 500кВт) и 10кГц (мощностью 250кВт),

Разработаны и используются в промышленности устройства программного регулирования режимов нагрева с питанием установок от машинных преобразователей.

В зависимости от частоты и мощности к. п. д. машинных преобразователей составляет 0,7-0,8.

Ламповые преобразователи радиочастот на частоту 0,44МГц (мощностью от 10 до 63кВт) и 0,066МГц (мощностью 100 и 160кВт). Они имеют при удовлетворительном coгласовании с нагрузкой к. п. д. 0,5-0,7 и работают достаточно устойчиво и надежно.

Весьма перспективными являются статические (тиристорные) преобразователи средней частоты. По сравнению с машинными преобразователями они характеризуются более высоким к. п. д. (0,9-0,95) при его сохранении в режиме повторно-кратковременной нагрузки, более широким диапазоном оптимальных нагрузок без дополнительных согласующих устройств, практически мгновенной готовностью к работе, малыми пусковыми токами. Все это обеспечивает экономию электроэнергии до 20%. Указанные преобразователи требуют квалифицированного инженерного обслуживания как текущего, так и при переналадках, комплектации запасными полупроводниковыми устройствами и приборами. В отличие от машинных преобразователей выпускаемые в настоящее время тири-сториые преобразователи частоты не приспособлены для параллельной работы нескольких преобразователей на общую нагрузку.

Тиристорные преобразователи типа ТПЧ с номинальными частотами 1кГц (мощностью 630 и 800кВт), 2,4кГц (мощностью 250 и 500кВт) и 4кГц (мощностью 160кВт). В ближайшие годы номенклатура преобразователей несомненно расширится.

5. ВЫБОР МОЩНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ И ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ
Для поверхностного нагрева мощность генератора (N_r кВт) может быть оценена по формуле:

(5.1.)

где N₀ – удельная мощность, кВт/см². Определяется в зависимости от требуемой глубины прогрева, частоты тока, размера детали и времени нагрева. Соответствующие данные представлены на рисунке 5.1 и в таблице 5.1.

S – площадь нагреваемой поверхности изделия, см⁸;

- соответственно К.П.Д. индуктора, закалочного трансформатора, конденсаторной батареи и линии электропередачи (силовых кабелей и токопроводов установки).
Для предварительных расчетов рекомендуется принимать следующие значения К.П.Д.:

(5.2.)

?_и = 0,75; ?_тр = 0,85; ?_к = 0,97; ?_л = 0,95
Точные значения определяются расчетом.

Для сквозного индукционного нагрева (в случае объемно поверхностной закалки некоторых деталей) мощность (кВт) генератора средней частоты может быть оценена по формуле:

(5.3.)

где С_ср – средняя интегральная удельная теплоемкость нагреваемого металла в интервале температур от t₀ до t_к кДж/(кг·К) (для стали 0,7 кДж/(кг·К);

t_Q, t_к – начальная и конечная температура нагрева, °С;

m – масса детали или заготовки, кг;

?_н – время нагрева, с;

n – количество одновременно нагреваемых в индукторе деталей или заготовок;

N_пол – полезная мощность, которую требуется передать в изделие для нагрева его до заданной температуры, кВт;

? – общий К.П.Д. нагревательного устройства: ? =

~0,5-0,6.

Рисунок 5.1 Графики для ориентировочного выбора удельной мощности и времени нагрева в зависимости от необходимой глубины нагрева и температуры поверхности t_п стали (Ф. Райнке)

а – частота тока 10 кГц;

б – частота тока 4 кГц

Таблица 5.1 - Удельная мощность, необходимая для осуществления поверхностной закалки

Частота, кГц	Диапазон глубин закалки, мм	Удельная мощность кВт/см²
Частота, кГц	Диапазон глубин закалки, мм	возможная	оптимальная
500	0,4—1,1	0,70—1,1	0,90
	1,1—2,2	0,30-0,70	0,50
10	1,5—2,3	0,70—1,5	1,0
	2,3—3,0	0,50—1,4	1₈0
	3,0—4,0	0,50-1,3	1,0
1	5,0—7,0	0,50—1,1	1,0
	7,0-9,0	0,50—1,1	1.0

При длительном нагреве с малой удельной мощностью в открытых (без футеровки) индукторах необходимо учитывать потери на излучение от нагретой поверхности металла в окружающую среду. Для стали, нагретой до 850°С, эти потери составляют около 8Вт/см², при более высокой температуре они существенно возрастают и при 1000^оС составляют приблизительно 12Вт/см².

Для оценки мощности, потребляемой установкой из сети, нужно учесть К.П.Д, преобразователей частоты, значения которого для ориентировочных расчетов могут быть приняты 0,5; 0,7 и 0,9 соответственно для ламповых (70-500кГц), машинных (1-10кГц) и тиристорных преобразователей частоты.

6. ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА ОДНОВРЕМЕННЫМ И НЕПРЕРЫВНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ СПОСОБОМ
По технике выполнения различают поверхностную закалку одновременным и непрерывно-последовательным способом, схемы которых представлены на рисунок 6.1.

Закалку непрерывно-последовательным способом применяют в основном для поверхностного упрочнения при поверхностном нагреве длинномерных деталей постоянного сечения (типа валов и ходовых винтов). При этом нагреваемая деталь непрерывно движется через узкий индуктор, в котором осуществляется местный нагрев до закалочной температуры участка детали, находящегося в данный момент в зоне индуктора. При выходе из индуктора этот Участок попадает в зону душевого закалочного охлаждения.

Преимуществами указанного способа закалки являются небольшая мощность генератора (в связи с малыми размерами зоны Нагрева) и малая деформация закаливаемых деталей (так как одновременно нагреваются лишь отдельные небольшие участки детали).

Недостаток способа – невысокая производительность и трудность получения глубоких закаленных слоев (свыше 5мм при питании от генератора с частотой тока 2,5кГц). Чтобы увеличить глубину слоя без перегрева поверхности, необходимо увеличивать время нагрева за счет снижения скорости перемещения детали в индукторе. Однако замедление перемещения до некоторого предела» зависящего от устойчивости переохлажденного аустенита применяемой стали, вызывает недопустимое подстуживание стали в период перехода нагретой зоны в охлаждающее устройство, что приводит к частичному распаду аустенита и появлению в структуре закаленной доэвтектоидной стали участков феррита. Это ухудшает износостойкость и усталостную прочность деталей.

Поверхностная закалка одновременным способом выполняется путем одновременного нагрева всей закаливаемой поверхности детали, после окончания нагрева вся нагретая поверхность охлаждается душем или потоком воды непосредственно в индукторе, либо в отдельном охлаждающем устройстве. Этот метод позволяет выполнять закалку разнообразных деталей сложной формы, благодаря чему весьма широко используется в промышленности,

Индуктор является одним из основных элементов индукционных нагревательных (закалочных) установок, во многом определяющим качество термической обработки и экономичность процесса. Многообразие видов индукторов весьма велико. Конструкции индукторов разрабатывают индивидуально для каждого типоразмера деталей, что составляет одну из главных задач при разработке и внедрении процессов термической обработки при индукционном нагреве.

На рисунке 6.2 представлены широко применяемые типы индукторов для нагрева различных поверхностей. В литературе имеются методики расчета ряда индукторов в осковномдля поверхностного и сквозного нагрева деталей простой формы (цилиндрических, с плоской поверхностью).

Рисунок 6.1 Схема непрерывно-последовательной (а) и одновременной (б) закалки:

1 – деталь;

2 – нагретая зона;

3 – закаленный слой;

4 – струи закалочной воды из спрейера;

5 – индуктор, совмещенный со слрейером;

6 - упоры для фиксации детали в индукторе

Рисунок 6.2 Схемы типичных индукторов:

а – индуктор для одновременной закалки наружных цилиндрических поверхностей; б – индуктор для непрерывно-последовательной закалки внутренних цилиндрических поверхностей, диаметром >40мм (1 – активный виток; 2 – магнитопровод); в – многсвитковый индуктор для одновременной закалки внутренних поверхностей (на радиочастоте); г – индуктор для непрерывно-последовательной закалки плоских поверхностей; д – индуктор для одновременной закалки плоских поверхностей; е – петлевой индуктор для нагрева цилиндрических поверхностей при вращении деталей (стрелками показано направление тока); ж – индуктор методического действия.
ВЫВОД
Индукционный нагрев при правильном его использовании обеспечивает существенную экономию энергии по сравнению с печным нагревом, позволяет во многих случаях заменить легированные конструкционные стали углеродистыми или низколегированными, отказаться от применения защитных атмосфер и минеральных масел в качестве закалочных сред.

Поверхностная закалка при индукционном нагреве более экономична и менее трудоемка по сравнению с газовой цементацией и нитроцементацией и по качеству деталей, как правило, не уступает, а в ряде случаев и превосходит названные процессы химико-термической обработки.

Основным недостатком индукционного нагрева является трудность его унификации. Как правило, конструкция индукторов, охлаждающих устройств и установок в целом разрабатываются индивидуально для каждого типоразмера деталей. Указанный недостаток проявляется в основном при индивидуальном и мелкосерийном характере производства и в этом случае решение вопроса о целесообразности применения индукционного нагрева должно быть технически и экономически обоснованным, с учетом как затрат непосредственно на термическую обработку, так и эффекта от повышения работоспособности изделий.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

Ю.А. Башнин. Технология термической обработки. Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. М: Металлургия, 1986г., 424с.
Н.В. Новиков. Теория термической обработки. Новиков Н.В. М: Металлургия, 1985г.
А.П. Гуляев. Теория термической обработки стали. Гуляев А.П. М: Металлургия, 1965г.