Физические процессы при нагреве металла 1. Для каких целей используется поверхностная закалка металлов? Этот способ предусматривает термическую обработку только поверхностных слоев деталей, в результате чего изменяется структура и повышается твердость этих слоев, а структура и твердость сердцевины остается без изменения. Способ объемной закалки преследует цель изменения структуры и твердости материала по всему сечению обрабатываемой детали. Поверхностная закалка имеет ряд преимуществ по сравнению с объемной закалкой: не требуется нагревательных печей и операции закалки и отпуска можно включать в общий поток механической обработки; сокращается время процесса, благодаря чему поверхность деталей не окисляется, не обезуглероживается, детали меньше подвергаются деформации. Ударная вязкость сердцевины при поверхностной закалке выше, чем при объемной. При поверхностной закалке возможна полная или частичная механизация и автоматизация производства. В настоящее время для упрочнения зубчатых колес, коленчатых валов, распределительных валиков, осей и других деталей автомобилей, тракторов и металлорежущих станков применяются . Материал, подвергшийся закалке, приобретает бо́льшую твёрдость, но становится хрупким, менее пластичным и менее вязким, если сделать большее количество повторов нагревание-охлаждение. Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости после закалки с полиморфным превращением применяют отпуск. После закалки без полиморфного превращения применяют старение. При отпуске имеет место некоторое снижение твёрдости и прочности материала. 2.Что такое индукционная закалка? Дайте краткую характеристику Индукционный метод поверхностной закалки деталей широко применяется в машиностроении и является одним из эффективных методов упрочнения металлов и сплавов. Этот вид термической обработки на первом этапе внедрения применялся вместо процессов химико-термической обработки: цементации, цианирования и в отдельных случаях взамен термического улучшения. Индукционная поверхностная закалка обеспечивает высокое качество изделий и дает наиболее стабильные результаты по сравнению с другими методами поверхностной закалки (повышение сопротивления изнашиванию и усталостному разрушению, уменьшение деформаций, почти полное устранение окисления и обезуглероживания). Благодаря нагреву только поверхностных слоев уменьшаются затраты энергии на нагрев. При индукционном нагреве реализуется возможность значительной концентрации электрической энергии в небольшом объеме нагреваемого металла, что позволяет осуществлять нагрев с большой скоростью. Этот метод позволяет изготовлять детали из дешевой углеродистой стали, обеспечивающей высокую прочность поверхности и сердцевины. В настоящее время длительные и трудоемкие процессы химико-термической обработки на заводах массового производства применяют только для небольшой номенклатуры деталей, например для зубчатых колес и других ответственных деталей. Метод индукционного высокочастотного нагрева основан на законе электромагнитной индукции, поверхностном эффекте, эффекте близости, кольцевом эффекте, тепловом действии тока и изменении свойств стали в процессе нагрева. 3.На каких физических принципах основан индукционный нагрев металла? Индукционный нагрев металлов основан на двух физических законах: законе электромагнитной индукции Фарадея-Максвелла и законе ДжоуляЛенца. Металлические тела (заготовки, детали и др.) помещают в переменное магнитное поле, которое возбуждает в них вихревое электрическое поле. Закон электромагнитной индукции. В проводнике, который пересекается силовыми линиями магнитного поля, возникает э. д. с. и, если он замкнут, то по нему потечет ток. Следовательно, в детали, которая пересекается силовыми линиями магнитного поля индуктора, также индуктируется э. д. с. и возникают индукционные токи. В проводнике, который пересекается силовыми линиями магнитного поля, возникает э. д. с. и, если он замкнут, то по нему потечет ток. Следовательно, в детали, которая пересекается силовыми линиями магнитного поля индуктора, также индуктируется э. д. с. и возникают индукционные токи. Под действием ЭДС индукции в телах протекают вихревые (замкнутые внутри тел) токи, выделяющие теплоту по закону Джоуля-Ленца. Эта ЭДС создает в металле переменный ток, тепловая энергия, выделяемая данными токами, является причиной нагрева металла. Индукционный нагрев является прямым и бесконтактным. Он позволяет достигать температуры, достаточной для плавления самых тугоплавких металлов и сплавов. Интенсивный индукционный нагрев возможен лишь в электромагнитных полях высокой напряженности и частоты, которые создают специальными устройствами - индукторами. Индукторы питают от сети 50 Гц (установки промышленной частоты) или от индивидуальных источников питания - генераторов и преобразователей средней и высокой частоты. Простейший индуктор устройств косвенного индукционного нагрева низкой частоты изолированный проводник (вытянутый или свернутый в спираль), помещенный внутрь металлической трубы или наложенный на ее поверхность. При протекании по проводнику-индуктору тока в трубе наводятся греющие ее вихревые токи. Теплота от трубы (это может быть также тигель, емкость) передается нагреваемой среде (воде, протекающей по трубе, воздуху и т. д.). Электродвижущую силу индукции называют противоэлектродвижущей силой, так как она направлена навстречу электродвижущей силе источника энергии и препятствует прохождению тока по проводнику (рис. 2). В проводящем контуре детали, находящемся в переменном магнитном поле, возникает электродвижущая сила, равная Ε = 4,44𝐵𝑆𝑓 ∙ 10−8 где Е — э. д. с., наведенная в детали, В; f — частота тока, Гц; В — максимальное 4 значение магнитной индукции в зоне нагрева, Гс (гауссы,1Гс= 10 Тл); S — площадь поперечного сечения детали, которая пронизывается магнитным потоком, см2. Из формулы видно, что индуктированная э. д. с., пропорциональная частоте и максимальному значению магнитного потока Φ = ⃗B ∙ 𝑆 внутри контура, пропорциональна также и величине тока, протекающего в индукторе. Наибольшее значение магнитной индукции В ограничивается максимально возможным магнитным насыщением стали 14000—15000 Гс, а площадь поперечного сечения детали S ограничивается ее размерами. Величина магнитного потока Ф и его распределение зависят от величины тока, проходящего по индуктирующему проводу (индуктору), числа витков и среды, в которой образуется магнитное поле. В случае хорошей магнитной проницаемости среды (например, стали) магнитное ноле будет усиливаться и, наоборот, при плохой магнитной проницаемости (например, воздух) магнитное поле будет ослаблено. 4.Что такое поверхностный эффект? Дайте краткое пояснение. Поверхностный эффект, скин-эффект — эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей среды. В результате этого эффекта, например, переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое. . Постоянный ток в проводнике распределяется равномерно по сечению, переменный ток распределяется по сечению неравномерно в зависимости от частоты тока При пропускании переменного тока наибольшая противоэлектродвижущая сила индуктируется в центре проводника, который охватывается полным магнитным потоком. Чем ближе к поверхности проводника, тем слабее магнитное поле, а следовательно, меньше противоэлектродвижущая сила. Существование этой силы равноценно появлению в проводнике некоторого добавочного сопротивления, носящего название индуктивного сопротивления цепи. Встречая в центре проводника наибольшее индуктивное сопротивление, ток будет стремиться пройти в направлении наименьшего сопротивления и вытесняться к поверхности проводника. Свойство тока высокой частоты протекать только по поверхностному слою проводника принято называть поверхностным эффектом, или скин - эффектом. Плотность тока для различных точек сечения проводника будет неодинаковой. Чем выше частота тока, тем больше в центре проводника индуктивное сопротивление и меньше плотность тока. Неравномерное распределение индукционных токов приводит к неравномерному нагреву деталей: поверхностные слои очень быстро нагреваются до высоких температур, а сердцевина или совсем не нагревается или нагревается незначительно, благодаря теплопроводности стали. 5. Как рассчитать «горячую глубину» проникновения тока и от каких величин она зависит? Наибольшее значение глубины проникновения тока называют горячей глубиной проникновения. Приближенно она может быть определена по упрощенной формуле: Зная зависимость глубины проникновения тока от температуры, процесс индукционного нагрева стали можно представить по следующей схеме. В первый момент начинается, нагрев стали в тонком поверхностном слое, равном глубине проникновения тока в холодный металл. После потери этим слоем магнитных свойств, глубина проникновения тока возрастает и нагревается слой, расположенный глубже. Повышение температуры в первом нагретом слое замедляется. После потери магнитных свойств вторым слоем начинает быстро нагреваться третий слой и т.д. Пределом роста глубины проникновения тока является горячая глубина проникновения. Повышение температуры в слое с горячей глубиной проникновения происходит за счет индуктированных токов, а в более глубоких слоях - в основном за счет теплопроводности. Этот процесс нагрева объясняет причину быстрого распространения тепла при нагреве ТВЧ, в связи с изменениями магнитных свойств. На рис. 10.5 изображен график индукционного нагрева, из которого видно, что более быстрый нагрев происходит при температурах ниже точки Кюри (769°С). Выше этой критической точки нагрев замедляется в связи с потерей сталью магнитных свойств и фазовыми превращениями. 6. Чем объясняется эффект близости при индукционном нагреве? Эффект близости представляет собой явление, которое заключается в эффекте вытеснения переменного тока к поверхности проводника витой пары, что может привести к снижению эффективного сечения проводников и увеличению сопротивления. В отдельном проводнике ток высокой частоты распределяется равномерно по поверхностному слою проводника. При прохождении тока высокой частоты по двум проводникам, находящимся на близком расстоянии друг от друга, происходит перераспределение тока внутри каждого проводника. Если токи в проводниках протекают в разных направлениях, то наибольшая плотность тока будет сосредоточена на сторонах, обращенных друг к другу .Если же токи в проводниках имеют одинаковое направление, то наибольшая плотность тока будет на удаленных сторонах проводников .Эффект близости проявляется тем сильнее, чем ближе будут находиться проводники друг к другу. В проводниках, расположенных под углом, наибольшая плотность тока будет в зоне наименьшего расстояния между проводниками. 7. С помощью каких устройств осуществляется индукционный нагрев? Дайте краткое описание. Индукцио́нный нагре́в — метод бесконтактного нагрева электропроводящих материалов токами высокой частоты и большой величины. Главным отличием индукционного нагрева от нагрева внешними источниками тепла (в печах и других нагревательных устройствах) является выделение тепла непосредственно в самом металле. При индукционном нагреве реализуется возможность значительной концентрации электрической энергии в небольшом объеме нагреваемого металла, что позволяет осуществлять нагрев с большой скоростью. Индукционный нагрев применяют для поверхностной закалки стальных изделий, сквозного нагрева под пластическую деформацию (ковку, штамповку, прессование и т. д.), плавления металлов, термической обработки (отжиг, отпуск, нормализация, закалка), сварки, наплавки, пайки металлов. Косвенный индукционный нагрев применяют для обогрева технологического оборудования (трубопроводы, емкости и т. д.), нагрева жидких сред, сушки покрытий, материалов (например, древесины). Важнейший параметр установок индукционного нагрева - частота. Для каждого процесса (поверхностная закалка, сквозной нагрев) существует оптимальный диапазон частот, обеспечивающий наилучшие технологические и экономические показатели. Для индукционного нагрева используют частоты от 50Гц до 5Мгц. Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая (металлическая, графитовая) заготовка помещается в так называемый индуктор, представляющий собой один или несколько витков провода (чаще всего медного). В индукторе с помощью специального генератора наводятся мощные токи различной частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в заготовке вихревые токи. Вихревые токи разогревают заготовку под действием джоулева тепла. 8. Какое влияние на распределение тока в проводнике оказывает присутствие магнитопровода? Магнитопро́вод — деталь или комплект деталей, предназначенных для прохождения с определенными потерями магнитного потока, возбуждаемого электрическим током, протекающим в обмотках устройств, в состав которых входит магнитопровод. На распределение тока в проводнике оказывает влияние присутствие магнитопровода. Если индуктирующий провод разместить в открытом пазу магнитопровода, который является хорошим проводником магнитного потока и уменьшает рассеяние магнитного поля в пространстве, то можно наблюдать явление одностороннего поверхностного эффекта. Наибольшая плотность тока будет в той части проводника, которая находится у открытой стороны паза. Индукторы с магнитопроводами находят применение для закалки: -наружных и внутренних цилиндрических поверхностей — шлицевых втулок, гильз, муфт; -деталей сложной формы — цилиндрических и конических колес; -деталей с плоскими поверхностями — головок рельсов, направляющих станин металлорежущих станков и т. д. Применение магнитопровода усиливает суммарное действие перечисленных, эффектов. Если для нагрева внутренних цилиндрических поверхностей применить индуктор с магнитопроводом, то последний окажет действие, обратное кольцевому эффекту, усилит действие поверхностного эффекта и эффекта близости и позволит передать необходимую удельную мощность для эффективного нагрева. 9. Какие электрические и тепловые закономерности, наблюдаются при прохождении тока по нагреваемой детали? Какими физическими законами их можно описать? Явление полосатого нагрева наблюдается только в металлах с высокой магнитной проницаемостью. Оно объясняется магнитострикционными колебаниями, возникающими под действием электромагнитного поля в поверхностном слое стали и проявляющимися в виде самопроизвольных изменений размеров и формы образца между узлами колебаний. При индукционном нагреве проявляются те же электрические и тепловые закономерности, связанные с прохождением тока по нагреваемой детали. Передаваемую в деталь мощность можно значительно увеличить, повышая частоту тока, протекающего в индукторе. Повышение частоты тока приводит к концентрации мощности в небольшом объеме нагреваемого металла — это снижает время нагрева. Повышение частоты тока приводит к концентрации мощности в небольшом объёме нагреваемого металла – это снижает время нагрева. Возможность концентрировать электромагнитную энергию в малом объеме нагреваемого металла является важнейшим свойством токов высокой частоты.
