Оборудование для закалки металла
Оборудование и материалы для закалки металлов
Металлы и их сплавы закаливают для повышения твёрдости. Этот процесс имеет многовековую историю – от кузнечного горна и ведра с водой, в которое с шипением опускался раскалённый клинок, до высокотехнологичного оборудования современных металлургических производств.
Закалка металлов и сплавов
Суть закалки состоит в том, что материал нагревают до той температуры, при которой он приобретает новые свойства, а потом резко охлаждают, фиксируя это состояние. Закаливают сталь, а также сплавы цветных металлов (бериллиевую бронзу, например). После закалки металл подвергают отпуску, суть в том, чтобы убрать хрупкость, придав эластичность.
Наиболее широко разработаны процессы закалки стали – с разнообразным оборудованием, материалами, технологиями.
Сталь – сплав железа с легирующими добавками и углеродом, нагревают до той температуры, при которой атомы железа и добавок выстраиваются в кубические гранецентрированные решётки. Внутри этих структур «растворены» атомы углерода. Это аустенит.
Затем материал охлаждают так, что решётки железа с добавками становятся кубическими, а атомы углерода выстраиваются в прямоугольные «пакеты», расположенные между кубическими структурами. Это мартенсит, имеющий игольчатое строение и высокую твёрдость.
Так происходит закалка стали. Основные операции: раскалить и остудить – обеспечивает соответствующее нагревательное оборудование и охлаждающие материалы.
Нагревательное оборудование
В зависимости от глубины и степени закалки, формы и размеров закаливаемой детали применяют разные способы её разогрева.
ТВЧ-установка
создаёт высокую температуру за счёт электромагнитной индукции: средне- и высокочастотный переменный ток, который проходит по петлям индуктора, создаёт вихревые токи на поверхности закаливаемого изделия, расположенного рядом с ним, и нагревает её.
Чем выше частота переменного тока, тем больше раскаляется поверхность изделия.
Понизив частоту, можно достичь нагрева более глубоких участков.
Однако детали большого сечения, а также имеющие сложную поверхность, обработать этим способом не удастся.
Таким образом, к преимуществам установок ТВЧ относится: экономичность и скорость нагрева, отсутствие окалины, деформаций и трещин при закалке, автоматический контроль и механизация процесса.
Недостатками является неэффективность при работе со сложными профилями и массивными деталями.
Соляная электродная ванна
нагревает детали за счёт электролиза соляного расплава. Она представляет собой наполненную солью ёмкость из керамики или металла. В неё погружены электроды, а также электронагреватель, который производит пуск ванны, расплавляя соль. Ванна защищена корпусом и зонтом, расположенным над ней. Такое оборудование обеспечивает быстроту и равномерность нагрева деталей, погружаемых в расплав.
Преимуществами являются: скоростной нагрев, равномерность поля температур (погрешность не выше 1ºС), частичный нагрев (если в ванну погружён только нужный участок детали), отсутствие окисления поверхности металла, высокие температуры (от 800 до 1300ºС, в зависимости от применяемой соли).
К недостаткам относится: выделение вредных испарений с поверхности расплавленной соли, а также взрывной выброс расплава, если в него попадает вода или загружаются влажные изделия.
Камерная печь имеет плотно закрывающийся отсек с обогревом и хорошей теплоизоляцией, во внутреннем пространстве которого создаются высокие температуры — от 800 до 1400ºС. В зависимости от того, чем производится обогрев, камерные печи бывают электрическими, нефтяными и газовыми.
Преимущества таких печей– равномерный нагрев, разработанные механизмы регулирования температуры и управления процессом.
Недостаток – образование окалины в результате взаимодействия металла с атмосферным воздухом при нагреве до высоких температур.
В дополнительно герметизированных печах с устройствами для нагнетания в рабочую камеру защитного газа (аммиак, лёгкие углеводороды) окалина не образуется.
Печь непрерывного горения
В том случае, если технологический процесс предусматривает постоянное закаливание деталей, применяют непрерывно действующие печи. В них, в соответствии с требованиями технологии, производят нагрев и выдержку изделий при заданной температуре в течение контролируемого времени.
По способу подачи изделий на закалку печи непрерывного горения подразделяются на конвейерные, толкательные и протяжные.
Процессы нагрева и выдержки автоматизированы и управляемы. Вместе с тем, закалка в таких печах (без защитного газа) сопряжена с образованием окалины и обезуглероживанием стали.
Вакуумная печь отличается от обычных камерных тем, что внутри неё, помимо высокой температуры, создаётся вакуум – до 5х10 -6 мбар. В результате снимаются проблемы, связанные с образованием окалины, обезуглероживанием и науглероживанием стали.
Эти печи, снабжённые, помимо нагревателей и теплоизолирующего корпуса, вакуумным насосом, выпускаются в промышленном, более масштабном варианте и с относительно небольшими габаритами – для исследовательских, лабораторных целей.
Материалы для закаливания: среда охлаждения.
При закалке изделие после нагрева требуется охладить. Для этого разогретую деталь погружают в среду с более низкой температурой. Такие среды могут быть жидкими и газообразными.
является часто используемой для охлаждения стали жидкостью. Если в такой воде присутствует даже малое количество солей либо моющих средств, параметры охлаждения меняются. Поэтому вода должна быть чистой. Частой её замены не требуется. Температура воды должна находиться в интервале от 20 до 30 градусов. Недопустимо охлаждение закаляемой детали в проточной воде.
Недостатком водного охлаждения является возникновение трещин и деформация при этом процессе. Поэтому закаливают в воде преимущественно несложные по форме изделия.
Водный раствор каустической соды
применяют, чтобы закалить изделия сложной конфигурации, изготовленные из конструкционной стали. Концентрация раствора – 50%. Он может быть холодным либо нагретым до 50-60ºС. При такой закалке образуются едкие пары, поэтому рабочее пространство должно обязательно иметь эффективную вытяжную вентиляцию.
Используют также горячие концентрированные растворы щелочей NaOH и KOH.
Минеральное масло
используют при закалке стали с легирующими добавками. В масляной ванне скорость, с которой охлаждается деталь, не зависит от температуры масла. Если масло нагрето до ста градусов и ниже, при попадании воды деталь может растрескаться, но при температуре масла выше 100ºС трещины не образуются.
Масляная закалка, вместе с тем, имеет недостатки: образуются вредные газы; изделие покрывается налётом; закаливающая способность постепенно снижается. Кроме того, минеральные масла легко воспламеняются.
Растворы солей
Горячие (от 150 до 500ºС) расплавы солей и их концентрированные растворы применяют для ступенчатой и изотермической закалки. При этом используются нитраты и нитриты калия и натрия. Интенсивность охлаждения в таких ваннах можно повышать, дополнительно вводя воду. Она поступает в глубину расплава/раствора, частично испаряется, частично поглощается солью. При этом в условиях данной температуры соль поглощает строго определённое количество воды. В результате создаются стабильные условия охлаждения. Температура ванны и содержание в ней воды контролирует автоматика.
также может охладить раскалённую сталь. С этой целью применяют обдувку изделия осушённым воздухом, подаваемым с помощью компрессора или вентилятора. Кроме того, используют охлаждение с помощью потоков азота, аргона. Продувание изделия инертным газом особенно эффективно при охлаждении в вакуумных печах.
Полное описание процесса закалки
Рассмотрим закалку стального изделия на конкретном примере.
Оборудование: камерная печь. Охлаждающий материал: масло.
Допустим, есть изделие из нержавеющей стали марки 40Х13.
Температура закалки для неё составляет 1050-1100ºС.
Проводят расчёт скорости нагрева. Этот расчёт учитывает форму изделия, расположение его в печи, а также нагревательную среду.
Изделие помещается в камерную печь и нагревается до нужной температуры с рассчитанной скоростью.
По достижении назначенной температуры деталь выдерживается в этих температурных условиях определённое время, чтобы произошёл полный её прогрев и нужные структурные превращения металла.
Затем изделие извлекают и постепенно, круговыми движениями, погружают, до полного остывания, в ванну с минеральным маслом — подходящей охлаждающей средой для легированных сталей, к которым относится 40Х13.
Место, где стоит охлаждающая ванна, должно иметь вытяжную вентиляцию.
Правильно подобранный режим закалки с использованием соответствующего оборудования и материалов позволяет значительно повысить твёрдость металлических изделий.
Оборудование для термообработки сварных швов и соединений трубопроводов, труб, металлов
Новый интерфейс управления установкой!
Наша компания занимается производством и предлагает купить современное индукционное оборудование для термообработки стали, чугуна и других металлов, алюминиевых, титановых и остальных сплавов, сварных швов и соединений труб или технологических трубопроводов. Мы окажем содействие в подборе нужной установки в соответствии с Вашим техническим заданием.
Индукционная термообработка сварных соединений и швов стали, чаще труб или трубопроводов – это инновационная послесварочная процедура. Данная технология широко применяется в самых различных сферах: нефтеперерабатывающей, энергетической, химической.
Индукционная термообработка труб и трубопроводов может быть как местной, когда касается непосредственно сварного шва или соединения, так и полной, когда нагревается вся конструкция, включая стыки. Независимо от масштаба операции выделяется три основных этапа термообработки шва: вначале идёт нагрев до нужной температуры с определённой скоростью, затем сварное соединение выдерживается некоторое время, и, наконец, охлаждение, которое также проходит с заранее заданной скоростью.
Индукционное оборудование для термообработки металла и сварных швов от компании ПРОМИНДУКТОР имеет полностью воздушное охлаждение, легкий интерфейс управления, встроенный промышленный контроллер с возможностью программирования режимов термообработки:
1. Предварительный нагрев – простой метод нагрева материала до определенной температуры и поддержания этой температуры в течении какого-либо времени;
2. Отжиг – быстро нагретая деталь до определенной температуры, выдерживается при этой температуре заданное время и за тем остывает до указанной температуры;
3. PWHT (postweld heat treatment) – после сварочная термическая обработка.
Пользователь имеет возможность задать собственную или несимметричную, сегментальную процедуру термообработки металла. Оборудование также имеет функции по работе на постоянной мощности или мощности, зависящей от времени, то есть система понижает или повышает ее на определенном отрезке времени.
В отличие от конкурентов, наше оборудование для термообработки металла и сварных швов и соединений труб и трубопроводов имеет более низкий эксплуатационный вес, изготовлено с применением последних мировых разработок. Установки компактны, так как все расположено в одном корпусе, не требуют водяного охлаждения, подходят для решения универсальных технических задач по термообработке сварных швов, соединений труб и трубопроводов.
Преимущества:
В силу самого принципа индукционного нагрева, формирование тепла происходит внутри детали и, вследствие этого, процесс более эффективен по затратам энергии, чем другие методы, количество рассеиваемой энергии исключительно низко.
Поверхностная закалка ТВЧ
Закалка сталей токами высокой частоты (ТВЧ) — это один из распространенных методов поверхностной термической обработки, который позволяет повысить твердость поверхности заготовок. Применяется для деталей из углеродистых и конструкционных сталей или чугуна. Индукционная закалка ТВЧ являет собой один из самых экономичных и технологичных способов упрочнения. Она дает возможность закалить всю поверхность детали или отдельные ее элементы или зоны, которые испытывают основную нагрузку.
При этом под закаленной твердой наружной поверхностью заготовки остаются незакаленные вязкие слои металла. Такая структура уменьшает хрупкость, повышает стойкость и надежность всего изделия, а также снижает энергозатраты на нагрев всей детали.
Технология высокочастотной закалки
Поверхностная закалка ТВЧ — это процесс термообработки для повышения прочностных характеристик и твердости заготовки.
Основные этапы поверхностной закалки ТВЧ — индукционный нагрев до высокой температуры, выдержка при ней, затем быстрое охлаждение. Нагревание при закалке ТВЧ производят с помощью специальной индукционной установки. Охлаждение осуществляют в ванне с охлаждающей жидкостью (водой, маслом или эмульсией) либо разбрызгиванием ее на деталь из специальных душирующих установок.
Выбор температуры
Для правильного прохождения процесса закалки очень важен правильный подбор температуры, которая зависит от используемого материала.
Стали по содержанию углерода подразделяются на доэвтектоидные — меньше 0,8% и заэвтектоидные — больше 0,8%. Сталь с углеродом меньше 0,4% не закаливают из-за получаемой низкой твердости. Доэвтектоидные стали нагревают немного выше температуры фазового превращения перлита и феррита в аустенит. Это происходит в интервале 800—850°С. Затем заготовку быстро охлаждают. При резком остывании аустенит превращается в мартенсит, который обладает высокой твердостью и прочностью. Малое время выдержки позволяет получить мелкозернистый аустенит и мелкоигольчатый мартенсит, зерна не успевают вырасти и остаются маленькими. Такая структура стали обладает высокой твердостью и одновременно низкой хрупкостью.
Заэвтектоидные стали нагревают чуть ниже, чем доэвтектоидные, до температуры 750—800°С, то есть производят неполную закалку. Это связано с тем, что при нагреве до этой температуры кроме образования аустенита в расплаве металла остается нерастворенным небольшое количество цементита, обладающего твердостью высшей, чем у мартенсита. После резкого охлаждения аустенит превращается в мартенсит, а цементит остается в виде мелких включений. Также в этой зоне не успевший полностью раствориться углерод образует твердые карбиды.
В переходной зоне при закалке ТВЧ температура близка к переходной, образуется аустенит с остатками феррита. Но, так как переходная зона не остывает так быстро, как поверхность, а остывает медленно, как при нормализации. При этом в этой зоне происходит улучшение структуры, она становится мелкозернистой и равномерной.
Перегревание поверхности заготовки способствует росту кристаллов аустенита, что губительно сказывается на хрупкости. Недогрев не дает полностью феррито-перритной структуре перейти в аустенит, и могут образоваться незакаленные пятна.
После охлаждения на поверхности металла остаются высокие сжимающие напряжения, которые повышают эксплуатационные свойства детали. Внутренние напряжения между поверхностным слоем и серединой необходимо устранить. Это делается с помощью низкотемпературного отпуска — выдержкой при температуре около 200°С в печи. Чтобы избежать появления на поверхности микротрещин, нужно свести к минимуму время между закалкой и отпуском.
Также можно проводить так называемый самоотпуск — охлаждать деталь не полностью, а до температуры 200°С, при этом в ее сердцевине будет оставаться тепло. Дальше деталь должна остывать медленно. Так произойдет выравнивание внутренних напряжений.
Индукционная установка
Индукционная установка для термообработки ТВЧ представляет собой высокочастотный генератор и индуктор для закалки ТВЧ. Закаливаемая деталь может располагаться в индукторе или возле него. Индуктор изготовлен в виде катушки, на ней навита медная трубка. Он может иметь любую форму в зависимости от формы и размеров детали. При прохождении переменного тока через индуктор в нем появляется переменное электромагнитное поле, проходящее через деталь. Это электромагнитное поле вызывает возникновение в заготовке вихревых токов, известных как токи Фуко. Такие вихревые токи, проходя в слоях металла, нагревают его до высокой температуры.
Индукционный нагреватель ТВЧ
Отличительной чертой индукционного нагрева с помощью ТВЧ является прохождение вихревых токов на поверхности нагреваемой детали. Так нагревается только наружный слой металла, причем, чем выше частота тока, тем меньше глубина прогрева, и, соответственно, глубина закалки ТВЧ. Это дает возможность закалить только поверхность заготовки, оставив внутренний слой мягким и вязким во избежание излишней хрупкости. Причем можно регулировать глубину закаленного слоя, изменяя параметры тока.
Повышенная частота тока позволяет сконцентрировать большое количество тепла в малой зоне, что повышает скорость нагревания до нескольких сотен градусов в секунду. Такая высокая скорость нагрева передвигает фазовый переход в зону более высокой температуры. При этом твердость возрастает на 2—4 единицы, до 58—62 HRC, чего невозможно добиться при объемной закалке.
Для правильного протекания процесса закалки ТВЧ необходимо следить за тем, чтобы сохранялся одинаковый просвет между индуктором и заготовкой на всей поверхности закаливания, необходимо исключить взаимные прикосновения. Это обеспечивается при возможности вращением заготовки в центрах, что позволяет обеспечить равномерное нагревание, и, как следствие, одинаковую структуру и твердость поверхности закаленной заготовки.
Индуктор для закалки ТВЧ имеет несколько вариантов исполнения:
- одно- или многовитковой кольцевой — для нагрева наружной или внутренней поверхности деталей в форме тел вращения — валов, колес или отверстий в них;
- петлевой — для нагрева рабочей плоскости изделия, например, поверхности станины или рабочей кромки инструмента;
- фасонный — для нагрева деталей сложной или неправильной формы, например, зубьев зубчатых колес.
В зависимости от формы, размеров и глубины слоя закаливания используют такие режимы закалки ТВЧ:
- одновременная — нагревается сразу вся поверхность заготовки или определенная зона, затем также одновременно охлаждается;
- непрерывно-последовательная — нагревается одна зона детали, затем при смещении индуктора или детали нагревается другая зона, в то время как предыдущая охлаждается.
Одновременный нагрев ТВЧ всей поверхности требует больших затрат мощности, поэтому его выгоднее использовать для закалки мелких деталей — валки, втулки, пальцы, а также элементов детали — отверстий, шеек и т.д. После нагревания деталь полностью опускают в бак с охлаждающей жидкостью или поливают струей воды.
Непрерывно-последовательная закалка ТВЧ позволяет закалять крупногабаритные детали, например, венцы зубчатых колес, так как при этом процессе происходит нагрев малой зоны детали, для чего нужна меньшая мощность генератора ТВЧ.
Охлаждение детали
Охлаждение — второй важный этап процесса закалки, от его скорости и равномерности зависит качество и твердость всей поверхности. Охлаждение происходит в баках с охлаждающей жидкостью или разбрызгиванием. Для качественной закалки необходимо поддерживать стабильную температуру охлаждающей жидкости, не допускать ее перегрева. Отверстия в спрейере должны быть одинакового диаметра и расположены равномерно, так достигается одинаковая структура металла на поверхности.
Чтобы индуктор не перегревался в процессе работы, по медной трубке постоянно циркулирует вода. Некоторые индукторы выполняются совмещенными с системой охлаждения заготовки. В трубке индуктора прорезаны отверстия, через которые холодная вода попадает на горячую деталь и остужает ее.
Закалка токами высокой частоты
Достоинства и недостатки
Закалка деталей с помощью ТВЧ обладает как достоинствами, так и недостатками. К достоинствам можно отнести следующее:
- После закалки ТВЧ у детали сохраняется мягкой середина, что существенно повышает ее сопротивление пластической деформации.
- Экономичность процесса закалки деталей ТВЧ связана с тем, что нагревается только поверхность или зона, которую необходимо закалить, а не вся деталь.
- При серийном производстве деталей необходимо настроить процесс и далее он будет автоматически повторяться, обеспечивая необходимое качество закалки.
- Возможность точно рассчитать и регулировать глубину закаленного слоя.
- Непрерывно-последовательный метод закалки позволяет использовать оборудование малой мощности.
- Малое время нагрева и выдержки при высокой температуре способствует отсутствию окисления обезуглероживания верхнего слоя и образования окалины на поверхности детали.
- Быстрый нагрев и охлаждение не дают большого коробления и поводок, что позволяет уменьшить припуск на чистовую обработку.
Но индукционные установки экономически целесообразно применять только при серийном производстве, а для единичного производства покупка или изготовление индуктора невыгодно. Для некоторых деталей сложной формы производство индукционной установки очень сложно или невозможно получить равномерность закаленного слоя. В таких случаях применяют другие виды поверхностных закалок, например, газопламенную или объемную закалку.
Принципы закалки металла в домашних условиях
При изготовлении металлические изделия подвергают дополнительной термообработке. После нагревания изменяются характеристики материала, улучшается структура. Для этого не нужно покупать дорогое оборудование, можно сделать закалку металла в домашних условиях. Чтобы не допустить ошибок, необходимо знать нюансы процедуры, разбираться в технологическом процессе.
Что такое закалка металлов и ее виды?
Закалка — популярный способ улучшения характеристик материала. Термообработка позволяет изменить структуру металла. Результатом воздействия высокой температуры является увеличение показателя твердости. После нагрева происходит быстрое охлаждение детали. Для этого она погружается в ёмкость, заполненную маслом или водой.
Чаще всего в домашних условиях выполняется закалка нержавейки, проволоки из разных видов стали и ножей. Но после структурных изменений, сталь становится хрупкой. Если речь идет о цветных металлах, то изменения структуры не происходит. Например, после проведения закалки меди невозможно достигнуть хорошего показателя твердости. Однако при отсутствии структурных изменений материал не становится излишне хрупким
Чтобы снизить показатель хрупкости стали после проведения термической обработки, выполняют отпуск заготовки. Это дополнительная обработка теплом. Сначала изделие нагревается, а затем медленно охлаждается.
Особенности закалки стали
Главным материалом, который подвергается нагреву, быстрому охлаждению является нержавеющая сталь, сплавы на ее основе. Чтобы улучшить характеристики изделия, необходимо выполнить дополнительный разогрев, а затем медленное охлаждение. Это позволит снять внутреннее напряжение. Особенности обработки для разных видов стали:
- Закалка стали 45. После проведения нагрева, быстрого охлаждения прочность повышается в 3 раза.
- Проведение процедуры со сталью 40X. Нагревается до температуры 860 градусов по Цельсию.
Существуют специальные справочники, которые содержат информацию о правильных температурных режимах обработки различных видов стали.
Преимущества
Преимущества термообработки металла:
- Изменение структуры материала. Зерна становятся равномерными.
- Отсутствие деформации.
- Простота проведения процедуры.
- Повышение твердости, увеличение прочности.
Оборудование и особенности проводимого процесса
Чтобы провести технологический процесс обработки материала, необходимо использовать определенное оборудование. Для нагрева применяют специальные печи. Они могут работать от электричества, на газу, твердом топливе. Помимо нагревательной конструкции нужно подготовить ёмкость, заполненную водой или маслом. Она нужна для быстрого охлаждения заготовки.
Как изготовить камеру для закаливания металла?
Для того чтобы закаливать металл дома, нужно собрать муфельную печь. Этапы сборки:
- Нарисовать чертеж нагревательной камеры. Можно взять готовый рисунок с размерами, обозначением основных элементов.
- Выложить из шамотного кирпича основную конструкцию.
- Снаружи обмазать камеру огнеупорной глиной.
- Подвести к самодельной конструкции провода, на внутренней поверхности закрепить нихромовые нити. Это нагревательные элементы.
- Вырезать выемки для размещения нихромовой проволоки, сделать отверстие для её подключения.
Камеру укрепляют уголками, которые закрепляют к контуру с помощью сварочного аппарата. Перед работой с самодельной конструкцией проводят подготовительный обжиг. Для этого она нагревается до 900 градусов по Цельсию. Для нагрева используют газовую горелку.
Закалка стали в домашних условиях
Для того чтобы закалить металл в домашних условиях можно использовать самодельную печь, горн, открытое пламя. На нагретую поверхность нужно положить металлическую заготовку. Дальше она разогревается до определенной температуры, с помощью кузнечных щипцов погружается в охлаждающую жидкость.
Чтобы правильно провести технологическую операцию, нужно точно соблюдать температурный режим. Для этого используется пирометр. Кузнецы советуют проверять температуру с помощью магнита. Если он не прилипает к материалу, деталь нагрета до 760 градусов. Затем заготовку нужно охладить.
Закалка металла может проводиться в домашних условиях. Это позволяет любому человеку улучшить характеристики материала. Собрать нагревательную камеру можно по готовым чертежам.
Поддержите канал, просто читайте наши статьи, а мы будем размещать для Вас полезную информацию о металлах! Так же заходите на наш сайт , там Вы найдете множество информации о металлах, сплава и их обработке.
