ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ИНДУКТОРА ДЛЯ ПРОЦЕССА ДИФФУЗИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛИ ПРИ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННОМ ИНДУКЦИОННОМ НАГРЕВЕ (ВКИН)
Марусин М.В., Виноградов А.Б, Марусин В.В. (ИТПМ СОРАН,г.Новосибирск, РФ)
The analysis of the basic factors that determine an optimum construction of a Ruhmkorff coil during a diffusion alloying of a steel at high-energy induction heating is realized.
Для разработки процесса диффузионного легирования был рассмотрен технически наиболее простой вариант плоской поверхности детали. После отработки режимов процесса упрочнения, определившей выбор удельной мощности нагрева, состава пасты, зазора индуктор – деталь, скорости движения детали, времени экспозиции, переход на другие формы деталей, например, на тела вращения, профили и др. технически разрешим.
При диффузионном насыщении поверхности стальных образцов упрочняющими добавками в условиях высокочастотной высокоэнергетической обработки необходимо выбрать рациональную конструкцию ВЧ – индуктора. При рабочем сечении индуктора S – const отношение ширины и длины его влияет на плотность энерговвода ВЧ- мощности в поверхность образца.
Конструкция индуктора должна обеспечивать:
- необходимую температуру нагрева каждого участка движущейся под индуктором детали и время экспозиции этого участка в зоне нагрева,
- простоту изготовления индуктора и его надежность,
- оптимальные условия согласования индуктора с ВЧ генератором.
Скорость диффузионного переноса легирующей добавки от поверхности в глубину металла экспоненциально зависит от температуры, поэтому целесообразно иметь на поверхности максимальную температуру, но не выше температуры начала текучести металла ТК < TПЛАВ , и для стали ТК ~ 1400 К.
Традиционные конструкции технологических индукторов, применяемых в машиностроении для классической поверхностной закалки, нагрева, пайки, приведены в [1]. Удельная мощность индукторов составляет ~ 104 кВт/м2.
Для проведения процесса борирования, цементации и меднения сталей при высококонцентрированном импульсном нагреве были разработаны индукторы, с удельной мощностью (2 – 20)× 10 4 кВт/м2.
Конструкция индуктора и, прежде всего, ширина и длина зоны мгновенного нагрева, должна обеспечивать время нагрева пасты, достаточное для эффективного протекания процесса легирования на глубины до 10× 10-6 м. При этом необходимо учитывать, что процессы борирования, меднения и цементации являются многостадийными [2]. Они включает в себя нагрев поверхности стали, последующий нагрев пасты от нее через теплопроводность, плавление или терморазложение связки, достижение частицами твердой фазы поверхности детали, гомогенное или гетерогенное разложение легирующей фазы с образованием на поверхности детали атомарного или кластерного легирующего компонента, и , наконец, диффузию его в сталь.
Скорости этих отдельных стадий известны недостаточно точно, так как константы скоростей каждого из этих процессов определены в литературе с разбросами в порядке их величин. При применении в качестве борсодержащей фазы аморфного бора с размером отдельных частиц менее 1000 А, когда стадии разложения борсодержащей фазы нет, на поверхности протекает процесс гетерогенной диссоциации этих частиц до атомарного уровня, также требующий определенного времени, надежный расчет которого затруднителен. Стадия, лимитирующая скорость всего многостадийного процесса, также неизвестна. Ясно лишь, что скорости всех стадий возрастают с ростом температуры.
С учетом вышесказанного, были разработаны две конструкции индуктора.
1. Индуктор с узким лезвием толщиной 1,5 ×10-3м, обеспечивающий, как показали калориметрические измерения, удельную мощность ~20×10 4 кВт/м2. Такая мощность позволяет нагревать поверхность стальной детали вплоть до подплава, однако высокая скорость нагрева пасты и сверхбыстрое разложение связки приводили к воспламенению паст и их разлету.
2. Индуктор с шириной зоны мгновенного нагрева до 2× 10 –2 м. Такой индуктор, имеет удельную мощность (2 – 4)×10 4 кВт/м2, способен нагревать поверхность детали ниже температуры подплава. Это позволяет обеспечить на 1 – 2 порядка большее время процесса обработки.
Экспериментально исследовано влияние формы сечения рабочей зоны ВЧ индуктора на энерговклад в поверхностный слой стального образца. Сечение индуктора составляло S= 1×10-5 м2, рабочая частота генератора 440 кГц.
Измерение энерговыделения индуктора , используемого на тепловой нагрев образца, проводилась методом дифференциальной калориметрии. Результаты экспериментов показаны на рисунке 1. Погрешность измерения тепловыделения в поверхностный слой стальных образцов составила £ 5% .
Исследования показали, что при S =const изменение отношения длины к ширине от квадратной формы до прямоугольной с S = (1,5 х 10)· 10-6 м2 приводит к повышению энерговклада в поверхностный слой образца на ~ 30%
Выбор конструкции индуктора осуществлялся на основании измерений микротвердости упрочненной поверхности. Результаты измерения микротвердости поверхностей после упрочнения борированием при индукционном нагреве приведены на рисунке 2. Они свидетельствуют, что при использовании петлевой конструкции индуктора, изображенной на рисунке 3, микротвердость выше, чем плоской. Значит, оптимальна петлевая конструкция индуктора с рабочей площадью нагрева S = ( 2 × 2 ) ·10-6 м2. Она позволяет достичь более высоких значений микротвердости поверхностного слоя как для низкоуглеродистых, так и высокоуглеродистых сталей вследствие более высоких (на ~ порядок) времен выдержки мгновенных зон нагрева при заданной температуре.
Рисунок 1 - Зависимость количества выделенного тепла от длительности импульса при: 1 - Wmax, 2 - Ws, 3 - W min
Рисунок 2 - Зависимость микротвердости от скорости обработки при разной конструкции индуктора: 1 – петлевая, 2 – П –образная, 3 - плоская
Рисунок 3 - Схемы конструкций индукторов^ а–плоский, б – петлевой, в- П – образный
1 - трубка с охлаждающей водой; 2, 4 - ферритовый концентратор.
Литература
1. Поляк М.С. Технология упрочнения..Т.1.// М.:Машиностроение – 1995- 824с.
2. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник. М. :Машиностроение – 1981 - 450с.