Реферат по курсу - Теория термической обработки - файл n1.doc
Реферат по курсу - Теория термической обработкискачать (277 kb.)
Доступные файлы (1):
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:
fК – 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 см
2 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/см
2) 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/см
2), 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/d
2;
(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/d
2 либо (при 20 000/ /d
3 >f> 5000/d
3) 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/см
2. 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, см
8;

- 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
Сср – средняя интегральная удельная теплоемкость нагреваемого металла в интервале температур от t
0 до t
к кДж/(кг·К) (для стали 0,7 кДж/(кг·К);
tQ, tк – 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;
Nпол – 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 |
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/см
2, при более высокой температуре они существенно возрастают и при 1000
оС составляют приблизительно 12Вт/см
2.
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.