Закалка ТВЧ: обработка токами
высокой частоты

Закалка ТВЧ, или высокочастотная закалка, - термообработка металла, при которой на него воздействуют токи высокой частоты. Они нагревают поверхностный слой стальных изделий до температур, необходимых для изменения их структуры. Такая обработка улучшает твердость, прочность и износостойкость материалов, расширяя их использование в промышленности.
 

Сущность и этапы закалки ТВЧ

Принцип работы закалки сталей ТВЧ основан на использовании высокочастотных электромагнитных полей для индуцирования токов в металлическом изделии. Эти токи, проходя через поверхностный слой, производят тепло из-за эффекта электрического сопротивления материала. В результате металл нагревается до температур, при которых его кристаллическая структура может изменяться.

Процесс включает несколько этапов:

• подготовку. Заготовку или деталь размещают в специальной установке для ТВЧ-обработки. В зависимости от требуемых характеристик и от размеров объекта выбирают параметры электромагнитного поля;
• нагрев. На этом этапе активируют генератор высокой частоты, создающий электромагнитное поле. Из-за индуцированных токов поверхностный слой металла быстро нагревается до температуры аустенитизации;
• закалку. По достижении необходимой температуры изделие быстро охлаждают, часто погружением в воду, масло или в другую закалочную жидкость. Скорость процесса закалки деталей ТВЧ обеспечивает превращение аустенита в мартенсит, что придает металлу высокую твердость и прочность;
• отпуск (при необходимости). Нагревание металла до температуры ниже температуры аустенитизации с последующим медленным охлаждением. Снижает внутренние напряжения, возникшие в ходе закалки, увеличивает его вязкость и пластичность без значительной потери твердости.
  
  

Влияние электромагнитной индукции на металл

Технология основана на явлениях электромагнитной индукции и электромагнетизма, открытых и описанных Майклом Фарадеем. Главный их принцип заключается в том, что изменяющееся во времени магнитное поле всегда индуцирует электрический ток в проводящем материале, находящемся в пределах этого поля.

На практике процессы работают так. Когда через катушку индуктивности пропускается высокочастотный переменный ток, вокруг нее создается “переменчивое” магнитное поле. При закалке металла ТВЧ оно проникает в металлический объект, размещенный внутри или вблизи катушки. Изменение поля с течением времени индуцирует внутри металлического объекта электрические токи (токи Фуко). Они проходят через металл, и из-за его электрического сопротивления (резистивности) энергия электрического тока преобразуется в тепло. Таким образом материал нагревается изнутри.

Поскольку интенсивность индукционного нагрева зависит от частоты переменного тока, глубины проникновения и природы металла, метод позволяет точно контролировать процесс, регулируя скорость, с которой нагревается деталь, и глубину нагреваемого слоя.

Как закалка стали ТВЧ меняет ее структуру?

В процессе закалки ТВЧ со структурой стали происходят серьезные метаморфозы. Зачастую они обусловлены двумя основными фазовыми превращениями.

Первое - переход в аустенитное состояние. При нагреве до определенной температуры, обычно выше критической точки, ферритная или перлитная структура стали превращается в аустенит. Эта однородная гранецентрированная кубическая фаза может растворять в себе большое количество углерода по сравнению с ферритом.

При быстром охлаждении, например, погружением в воду, масло или в другой закалочный раствор, аустенит также превращается в мартенсит. Эта структурная составляющая обладает крайне высокой твердостью и прочностью за счет искаженной тетрагональной кристаллической решетки. Превращение становится реакцией на процессы, вызываемые резким охлаждением, когда атомы углерода оказываются “запертыми” в кристаллической решетке, не успевая полностью выделиться из аустенита.

Отметим, что тепловая обработка, в частности, закалка стали ТВЧ, не ограничивается только превращениями феррит-аустенит и аустенит-мартенсит. В зависимости от химического состава стали и от конкретных параметров процесса (например, от температуры и скорости охлаждения) могут также происходить другие явления. Например, образование бейнита, троостита или сорбита, каждый из которых влияет на конечные свойства стали.

Закалка позволяет добиваться желаемого баланса между твердостью, прочностью и вязкостью стального изделия. Прошедший такую обработку металл можно использовать в самых жестких условиях: от высоконагруженных деталей машин до инструментов.

Преимущества закалки деталей ТВЧ

Закалка деталей ТВЧ - не только удобная, но и функциональная операция, так как может решить много производственных задач. Среди основных ее плюсов назовем:

• возможность выборочного нагрева. Технология позволяет нагревать только определённые участки изделия, не затрагивая общую структуру. То есть можно улучшать характеристики только работающих поверхностей;
• быстрота процесса. Индукционный нагрев - один из самых скоростных, а значит, он значительно сокращает циклы и увеличивает производительность;
• точное управление нагревом, гарантирующее равномерность и повторяемость закалки;
• высокая твердость обработанной поверхности. Ее износостойкость после такой обработки значительно увеличивается;
• энергоэффективность. Так как нагрев ограничивается поверхностным слоем и происходит быстро, энергопотребление по сравнению с традиционной печной обработкой получается минимальным;
• минимизация оксидации и деформации. Благодаря быстрому и локальному нагреву риск окисления и деформации изделия снижается;
• безопасность. Закалка металла ТВЧ считается более безвредным методом, так как отсутствует открытое пламя.
  
  

Оснащение для процесса закалки ТВЧ

Оборудование для этой термообработки металла включает несколько устройств и систем. Его ведущий элемент - генератор высокой частоты. Он вырабатывает высокочастотный переменный ток, необходимый для создания электромагнитного поля. Мощность и частота генератора могут варьироваться в зависимости от требований к обработке конкретных изделий.

Индуктор представляет собой катушку, через которую проходит высокочастотный ток, создающий электромагнитное поле. Ее форма и размер определяются формой и размером обрабатываемого изделия, а также желаемыми глубиной и областью нагрева.

Так как в процессе закалки ТВЧ выделяется много тепла, безопасную работу оборудования поддерживает система его охлаждения. Обычно для генераторов и индукторов используют водяные или воздушные охладители.

Важнейший узел оборудования - устройства и программное обеспечение для контроля параметров процесса (мощности, частоты, времени нагрева и охлаждения). Современные системы могут быть оснащены интерфейсами для программирования и мониторинга процессов в реальном времени. Для автоматизации процесса ТВЧ-закалки и обработки больших партий используют механизмы подачи и перемещения обрабатываемых деталей, вплоть до роботизированных устройств.  

Закалка металла ТВЧ: для самых ответственных деталей

Закалку стали ТВЧ выполняют для изделий разного назначения: от деталей, легко умещающихся в ладони, до компонентов крупных механизмов и конструкций. К ним относятся: 

• зубчатые колеса;
• оси и валы разного назначения, включая кривошипные;
• направляющие и штоки;
• профессиональные режущие инструменты;
• элементы подшипников (ролики, кольца и другие);
• рессоры и пружины;
• рельсы и рельсовые скрепления;
• лопатки турбин.

Хотите повысить надежность ответственных деталей? Наши предприятия и их оборудование готовы поработать над прочностью вашей стали и намного продлить срок ее эксплуатации. Обращайтесь!  

Тип деталей			Стоимость, руб./кг
Цилиндрические детали (валы, оси, втулки)			от 50
Плоские детали (шестерни, диски, пластины)			от 60
Зубчатые колеса			от 70
Режущие инструмент (фрезы, резцы, сверла)			от 80
Сложные детали (с отверстиями, пазами, проточками)			от 90
Индивидуальный заказ			по договоренности