Hartowanie indukcyjne — zastosowanie, proces fizyczny, rodzaje i metody hartowania

W niniejszym artykule skupimy się na hartowaniu indukcyjnym — jednym z rodzajów obróbki cieplnej metali, który daje możliwość przemian fazowych, czyli przemiany perlitu w austenit. Części stalowe dzięki hartowaniu indukcyjnemu uzyskują wyższe właściwości mechaniczne, ponieważ jakość stali w wyniku takiej obróbki znacznie wzrasta.

I tak do obróbki cieplnej metali w celu ich powierzchniowego utwardzenia stosuje się nagrzewanie indukcyjne... Technologia pozwala na wybór różnych głębokości utwardzonej warstwy, ponadto proces jest łatwo zautomatyzowany, dlatego ta metoda jest uważany za postępowy. Możliwe jest zestalanie części o różnych kształtach.

Hartowanie indukcyjne powierzchni jest dwojakiego rodzaju: powierzchniowe i masowe.

Hartowanie powierzchniowe z ogrzewaniem powierzchniowym, powoduje to nagrzanie przedmiotu obrabianego do temperatury hartowania do głębokości utwardzonej warstwy, przy czym rdzeń pozostaje nienaruszony. Czas nagrzewania wynosi od 1,5 do 20 sekund, prędkość nagrzewania wynosi od 30 do 300°C na sekundę.

Utwardzanie objętościowe powierzchni charakteryzuje się nagrzewaniem warstwy większej niż warstwa o strukturze martenzytycznej, jest to nagrzewanie głębokie. Stal jest wyżarzana do głębokości mniejszej niż grubość nagrzanej warstwy, która jest określona przez stwardnienie stali.

W strefach głębokich, głębszych niż struktura martenzytyczna, które nagrzewają się do temperatury krzepnięcia, tworzą się strefy zestalone o strukturze zestalonego sorbitolu lub troostytu. Czas utwardzania wzrasta do 20-100 sekund, szybkość nagrzewania spada do 2-10°C na sekundę w porównaniu do utwardzania powierzchniowego.

Wytrzymałe osie, koła zębate, krzyżaki itp. poddawane są objętościowemu hartowaniu powierzchniowemu. Główną różnicą między nagrzewaniem indukcyjnym a innymi metodami nagrzewania jest uwalnianie ciepła bezpośrednio do objętości przedmiotu obrabianego.

Zasadniczo proces wygląda następująco. Utwardzona część umieszczona jest w cewce indukcyjnej, która jest zasilana prądem przemiennym. Zmienne pole magnetyczne indukuje pole elektromagnetyczne prądy wirowe występują w warstwie wierzchniej przedmiotu obrabianego, ogrzewając przedmiot obrabiany. Obszary te, na które oddziałuje zmienne pole magnetyczne, nagrzewają się do wysokich temperatur.

Szybkość ogrzewania jest wysoka i istnieje możliwość lokalnego ogrzewania. Gęstość prądu jest większa na powierzchni przedmiotu obrabianego ze względu na efekt powierzchniowy, dlatego nagrzewanie jest możliwe tylko do wymaganej głębokości. Rdzeń lekko się nagrzewa.87% mocy przenoszonej przez prądy wirowe przedmiotu obrabianego przypada na głębokość penetracji.

Ponieważ głębokość wnikania prądu jest różna w różnych temperaturach metalu, proces przebiega kilkuetapowo. Po pierwsze, warstwa powierzchniowa zimnego metalu jest szybko nagrzewana, następnie warstwa jest nagrzewana głębiej i pierwsza warstwa nie jest nagrzewana tak szybko dalej, następnie nagrzewana jest trzecia warstwa.

W procesie ogrzewania każdej z warstw szybkość nagrzewania każdej warstwy maleje wraz z utratą właściwości magnetycznych odpowiedniej warstwy. Oznacza to, że ciepło rozprzestrzenia się z powodu zmian właściwości magnetycznych metalu z warstwy na warstwę. To aktywne ogrzewanie prądem, trwa dosłownie sekundy.

Nagrzewanie indukcyjne, w zależności od rozkładu temperatury w przekroju przedmiotu, różni się od nagrzewania przez przewodzenie ciepła.W warstwie nagrzanej temperatura jest znacznie wyższa niż w środku, następuje gwałtowny spadek, gdyż w środkowej części część, właściwości magnetyczne nadal nie są tracone, dopóki zewnętrzny prąd aktywny nie przegrzeje metalu. Zmieniając częstotliwość prądu i czas nagrzewania, obrabiany przedmiot jest podgrzewany do wymaganej głębokości.

Konstrukcja induktora zwykle określa jakość krzepnięcia części. Induktor jest wykonany z miedzianych rurek, przez które przepływa woda w celu jego schłodzenia. Zachowana jest pewna odległość, mierzona w milimetrach, między cewką indukcyjną a częścią, taka sama ze wszystkich stron.

Hartowanie odbywa się na różne sposoby, w zależności od kształtu i rozmiaru części, a także wymagań dotyczących hartowania. Małe części są najpierw podgrzewane, a następnie chłodzone.W chłodzeniu prysznicowym czynnik chłodzący, taki jak woda, jest doprowadzany przez otwory w cewce indukcyjnej. Jeśli część jest długa, induktor porusza się wzdłuż niej podczas hartowania, a woda jest podawana przez otwory natryskowe po jej ruchu. Jest to ciągła, sekwencyjna metoda utwardzania.

Podczas ciągłego sekwencyjnego utwardzania induktor porusza się z prędkością od 3 do 30 mm na sekundę, a części części kolejno wpadają w jego pole magnetyczne. W rezultacie część jest kolejno, sekcja po sekcji, podgrzewana i chłodzona. W ten sposób w razie potrzeby można również zahartować poszczególne części przedmiotu obrabianego, na przykład czopy wału korbowego lub zęby dużego koła zębatego. Narzędzia do automatyzacji umożliwiają równomierne wyrównanie części i przesuwanie cewki indukcyjnej z dużą precyzją.

W zależności od gatunku stali i sposobu jej obróbki wstępnej właściwości po hartowaniu są różne. Tryby ogrzewania indukcyjnego, chłodzenia i niskiego odpuszczania również wpływają na wyniki.

W przeciwieństwie do hartowania konwencjonalnego, hartowanie indukcyjne sprawia, że ​​stal o twardości 1-2 HRC jest twardsza, mocniejsza, zmniejsza wytrzymałość i zwiększa granicę wytrzymałości. Wynika to z rozdrabniania ziaren austenitu.

Wysoka szybkość nagrzewania prowadzi do wzrostu centrów przemian perlitowo-austenitycznych. Początkowe ziarno austenitu okazuje się małe, wzrost nie następuje ze względu na dużą szybkość nagrzewania i brak ekspozycji.

Kryształy martenzytu są mniejsze. Ziarno austenitu ma 12-15 punktów. Przy zastosowaniu stali o małej tendencji do wzrostu ziaren austenitycznych uzyskuje się drobnoziarniste ziarno.Części o nieco rozproszonej strukturze początkowej uzyskuje się w wyniku lepszej jakości.

W wyniku rozkładu naprężeń szczątkowych zwiększa się granica wytrzymałości. W warstwie utwardzonej występują szczątkowe naprężenia ściskające, a poza nią naprężenia rozciągające. Awarie zmęczeniowe są związane z naprężeniami rozciągającymi. Naprężenia ściskające osłabią niszczące siły rozciągające pod działaniem sił zewnętrznych podczas eksploatacji części. Dlatego granica wytrzymałości wzrasta w wyniku hartowania indukcyjnego.

Decydujące znaczenie w hartowaniu indukcyjnym mają: szybkość nagrzewania, szybkość chłodzenia, sposób hartowania w niskich temperaturach.