Виктор Николаевич Пустовойт, доктор технических наук, профессор кафедры «Материаловедение и технологии металлов»
ElibraryID: 149062ScopusID: 7006220091
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Viktor N. Pustovoit, Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Department of Materials Science and Technology of Metals
ElibraryID: 149062ScopusID: 7006220091
1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003
Юрий Вячиславович Долгачев, доктор технических наук, доцент кафедры «Материаловедение и технологии металлов»
ElibraryID: 617248ScopusID: 55151183800
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Yuri V. Dolgachev, Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Materials Science and Technology of Metals
ElibraryID: 617248ScopusID: 55151183800
1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003
Алексей Сергеевич Пивченков, магистрант кафедры «Материаловедение и технологии металлов»
ElibraryID: 1219045
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Aleksey S. Pivchenkov, Master's Student of the Department of Materials Science and Technology of Metals
ElibraryID: 1219045
1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003
Введение. При нагреве железоуглеродистых сплавов токами высокой частоты (ТВЧ) на высоких скоростях могут наблюдаться более значимые эффекты упрочнения, чем при применении машинных генераторов. Поэтому проводить закалку в таких условиях было бы целесообразнее, однако повышение частоты генератора влечет за собой уменьшение глубины проникновения вихревых токов и ведет к большей неравномерности прогрева по сечению. Наложение постоянного внешнего магнитного поля при закалке ТВЧ может приводить к увеличению глубины проникновения вихревых токов и более равномерному прогреву. Но в научной литературе еще недостаточно сведений о влиянии внешнего магнитного поля на процессы нагрева ТВЧ, а также на фазовые превращения в сталях. В настоящий момент количественных оценок влияния внешнего магнитного поля на изменение кинетики электронагрева и глубины проникновения вихревых токов не имеется. В связи с вышесказанным цель авторов настоящей статьи — изучить изменения в кинетике нагрева ТВЧ железоуглеродистых сплавов при наложении внешнего постоянного магнитного поля и на этой основе рассмотреть возможности применения данной технологии.
Материалы и методы. Теоретическая оценка влияния внешнего магнитного поля на изменения кинетики электронагрева и глубины проникновения вихревых токов дана на основе общей теории кинетики индукционного нагрева. Экспериментальное изучение влияния магнитного поля на кинетику нагрева ТВЧ проводилось на образцах из стали 45, перлитного серого (СЧ30) и ферритного ковкого чугуна (КЧ30-6). Исследование распределения температуры по сечению ферромагнитного материала при индукционном нагреве во внешнем магнитном поле осуществлялось на специальных образцах из технического железа, стали 45 и серого перлитного чугуна СЧ30. Изучение процессов электроотпуска проходило на образцах из стали У8А с использованием лампового генератора (температура нагрева — 450 ℃, скорость нагрева — 750 ℃/с). Исследовались изменения балла аустенитного зерна после скоростного нагрева с внешним подмагничиванием на образцах стали с пониженной прокаливаемостью 55ПП. Для исследования процессов термической обработки в магнитном поле при проведении экспериментов с нагревом образцов токами высокой частоты создан электромагнит специальной конструкции для наложения внешнего постоянного магнитного поля.
Результаты исследования. Построены теоретические кривые для условий нагрева без поля и с наложением внешнего постоянного магнитного поля. Экспериментальные данные о влиянии внешнего постоянного магнитного поля на индукционный нагрев в поверхностном слое различных материалов были сведены в кинетические диаграммы. Доказательством того, что наблюдаемые изменения связаны именно с увеличением глубины проникновения вихревых токов, являются опытные данные, полученные на цилиндрических образцах из стали 45 с разной толщиной стенки. Приведены кинетические кривые оценки температурного поля (по шести точкам на разной глубине) в процессе нагрева ТВЧ с внешним подмагничиванием и без него. Получены экспериментальные данные, показывающие распределение микротвердости по сечению образца из стали У8 после закалки, закалки и электроотпуска, закалки и электроотпуска с внешним подмагничиванием и закалки и объемного отпуска, а также результаты исследования балла аустенитного зерна стали 55ПП после скоростного нагрева с внешним подмагничиванием и обычного (медленного) глубинного нагрева.
Обсуждение. Наложение внешнего постоянного магнитного поля высокой напряженности на этапе первого квазистационарного процесса приводит к снижению скорости индукционного нагрева ферромагнитного материала и увеличению глубины его равномерного прогрева. Выше точки Кюри влияние магнитного поля не сказывается из-за малой магнитной восприимчивости материала, поэтому скорость нагрева остается такой же, какая была бы в этом температурном интервале без поля. Кроме того, ввиду незначительной разницы значений магнитной проницаемости ниже и выше точки Кюри при нагреве в поле термическая кривая не имеет столь заметного перегиба, характерного для кинетических кривых при переходе поверхностного слоя в парамагнитное состояние. Эксперименты с электроотпуском доказали, что с наложением внешнего поля удается отпустить материал на необходимую глубину и появляется возможность его проведения на одной установке ТВЧ. Размер зерен аустенита после скоростного нагрева с подмагничиванием уменьшается, по сравнению с обычным глубинным нагревом стали с пониженной прокаливаемостью, что устраняет проблему индукционного нагрева сталей с пониженной прокаливаемостью.
Заключение. Результаты исследования показали, что наложение внешнего магнитного поля позволяет реализовать эффекты упрочнения при нагреве с более высокими частотами и устранить недостатки такого нагрева.
Introduction. When heating with high-frequency currents (HFCs) at high speeds, more significant strengthening effects can be observed compared to using machine generators. Therefore, hardening at high frequencies is more efficient. However, the increase in the generator frequency results in a decrease in the depth of penetration of eddy currents and an increased unevenness of heating across the cross-section. The application of a constant external magnetic field during HFC hardening can increase the depth of eddy current penetration and create more uniform heating. Unfortunately, there is not enough information available on the effect of the external magnetic field on HFC heating processes and phase transformations in steel. Currently, there are no quantitative estimates for the impact of an external magnetic field on changes in the kinetics of electric heating and the penetration depth of eddy currents. In connection with the above, the aim of this paper is to investigate changes in the kinetics of high-frequency heating of iron-carbon alloys when an external constant magnetic field is applied and, and, based on this, to consider the potential for technological applications.
Materials and Methods. Theoretical assessment of the influence of an external magnetic field on the change in the kinetics of electric heating and the penetration depth of eddy currents is based on the general theory of induction heating kinetics. An experimental study of the influence of a magnetic field on the kinetics of high-frequency current heating was performed on samples of 45 steel, pearlitic gray (SCh30), and ferritic malleable cast iron (KCh30-6). The temperature distribution over the cross-section of ferromagnetic materials during induction heating with an external magnetic field has been studied using special samples of iron, 45 steel, and SCh30 gray pearlitic cast iron. Electric tempering processes have been investigated on samples of U8A steel using a vacuum tube generator (heating temperature — 450℃, heating rate — 750℃/s). Changes in austenite grain size after high-speed heating with external magnetization have been examined on samples of reduced-hardenability 55PP steel. To study the processes of thermal treatment in a magnetic field during experiments involving heating samples using high-frequency currents, a specially designed electromagnet was created to apply an external constant magnetic field.
Results. Theoretical curves were constructed for heating conditions with and without an external constant magnetic field. Experimental data on the effect of an external constant magnetic field on induction heating in the surface layer of various materials were summarized in kinetic diagrams. Evidence that the observed changes were due to increased depth of penetration of eddy currents came from experiments on cylindrical samples of 45 steel with different wall thicknesses. Kinetic curves were provided for estimating the temperature field (at 6 points at different depths) during high-frequency current heating with and without external magnetization. The paper presents experimental data on the micro-hardness distribution across the cross-section of a U8 steel sample after quenching, quenching and electric tempering, quenching and electric tempering with external magnetization, and quenching and bulk tempering. It also includes the results of the study of the austenite grain size of 55PP steel after high-speed heating with external magnetization and conventional (slow) deep heating.
Discussion. The application of a high-intensity external constant magnetic field during the first quasi-stationary process resulted in a decrease in the rate of induction heating of the ferromagnetic material and an increase in the depth of its uniform heating. However, above the Curie point, the effect of the magnetic field was negligible due to the low magnetic susceptibility of the material, and the heating rate remained unchanged as if there was no field present. In addition, due to the insignificant difference in the values of magnetic permeability below and above the Curie point during heating in the field, the thermal curve did not exhibit the characteristic inflection typical of kinetic curves observed during the transition of the surface layer to a paramagnetic state. Experiments with electric tempering have demonstrated that by applying an external field, it was possible to temper a material to the desired depth and it could be done on a single high-frequency current setup. The size of the austenite grains after high-speed heating with magnetization was reduced compared to conventional deep heating of steel with low hardenability, eliminating the issue of induction heating for low-hardenability steel.
Conclusion. The results of the study demonstrated that the use of an external magnetic field enabled the achievement of strengthening effects during heating at higher frequencies, thereby eliminating the drawbacks of such heating methods.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.