Полезная модель относится к устройствам термической обработки металлических изделий, в частности для закалки.The invention relates to heat treatment devices for metal products, in particular for quenching.
Известен патент 2437943 «Способ закалки длинномерных металлических изделий», который реализуется с помощью устройства. Устройство содержит конвейер для транспортировки изделий, высокочастотный генератор, индуктор и охлаждающее устройство. Устройство работает следующим образом, длинномерные изделия размещают на транспортере и непрерывно перемещают со скоростью 3-10 мм/с. При прохождении изделием зоны индукционного нагрева, где индуктор расположен над изделием, поверхность которого нагревается до 800-1000°С. При дальнейшем перемещении изделия, оно попадает в зону охлаждения воздухом. Процесс нагрева изделий до высоких температур протекает в воздушной среде и приводит к образованию окисных пленок, которые снижают качество изделия.Known patent 2437943 "Method of hardening of long metal products", which is implemented using the device. The device comprises a conveyor for transporting products, a high-frequency generator, an inductor and a cooling device. The device operates as follows, long products are placed on the conveyor and continuously moved at a speed of 3-10 mm / s. When the product passes the induction heating zone, where the inductor is located above the product, the surface of which is heated to 800-1000 ° C. With further movement of the product, it falls into the air cooling zone. The process of heating products to high temperatures occurs in the air and leads to the formation of oxide films, which reduce the quality of the product.
Известен «Способ поверхностной закалки чугуна и индуктор для его осуществления», патент 2428487, 2010 г. Изобретение относится к поверхностной закалке электрической индукцией. Решаемая задача - повышение рабочего ресурса обрабатываемых деталей. Индуктор для поверхностной закалки содержит полый токопровод из медной трубки, выполненный в виде петли с подводом охлаждающего агента. На трубе индуктора размещены ферритовые кольца и медный брусок, которые являются концентраторами высокочастотной энергии и расположены по всей длине индуктора. Закалка изделия осуществляется следующим образом. Обрабатываемая поверхность детали перемещается относительно рабочей зоны индуктора вертикально сверху вниз. На поверхности детали возбуждаются индукционные токи, которые прогревают ее до нужной температуры на глубину более 3 мм. Это достигается благодаря концентраторам электромагнитной энергии. Изделие, перемещаясь вниз, охлаждается струей охлаждающего агента из отверстий медной трубки индуктора. Недостаток данного способа закалки и устройства для его реализации заключается в том, что процесс протекает на воздухе при температуре 800-1000°С, что приводит к образованию окисных пленок на поверхности изделия, снижающих его качество.The well-known "Method of surface hardening of cast iron and inductor for its implementation", patent 2428487, 2010. The invention relates to surface hardening by electric induction. The task at hand is to increase the working resource of the machined parts. The surface hardening inductor comprises a hollow conductor from a copper tube, made in the form of a loop with a supply of a cooling agent. Ferrite rings and a copper bar are placed on the inductor tube, which are high-frequency energy concentrators and are located along the entire length of the inductor. The hardening of the product is as follows. The machined surface of the part moves vertically from top to bottom relative to the working area of the inductor. Induction currents are excited on the surface of the part, which heat it up to the desired temperature to a depth of more than 3 mm. This is achieved thanks to the concentrators of electromagnetic energy. The product, moving down, is cooled by a stream of a cooling agent from the holes of the copper tube of the inductor. The disadvantage of this hardening method and device for its implementation is that the process proceeds in air at a temperature of 800-1000 ° C, which leads to the formation of oxide films on the surface of the product, reducing its quality.
Наиболее близким по техническому решению и достигаемому результату является «Способ безокислительного нагрева термообрабатываемых металлических изделий в воздушной среде в муфеле и устройство для его осуществления», патент 2428488, 2010 г. Способ безокислительного нагрева металлических изделий реализуется устройством, которое содержит нагревательную печь, размещенный в ней муфель, который выполнен из материала, имеющего меньший электрохимический потенциал, чем потенциал металла изделия. При нагреве в воздушной среде муфель и деталь образуют гальваническую пару, что и обеспечивает безокислительный нагрев. Муфель может быть металлическим с оксидным наружным слоем или выполненным из оксидов. При нагреве металлических изделий в муфеле в печи, вначале образуются очень тонкие слои окислов. При дальнейшем повышении температуры окислы восстанавливаются. Для каждого металла есть своя температура восстановления окислов. Для стали 20, меди, никеля эти. температуры составляют, соответственно, 520°С, 490°С, 630°С (Безокислительный нагрев металлов в воздушной среде. Вестник Казанского Государственного технического университета им. А.Н. Туполева, 2010 г., №3, с. 55-56, табл. 1, рис. 3). Мелкие детали нагреваются быстро, на выходе процесса они получаются светлыми неокисленными. Для деталей больших толщин требуется большее время для их нагрева. Решаемая техническая задача - повышение качества и производительности процесса термообработки металлических изделий в воздушной среде в муфеле.The closest in technical solution and the achieved result is the "Method of non-oxidative heating of heat-treatable metal products in air in a muffle and a device for its implementation", patent 2428488, 2010. The method of non-oxidative heating of metal products is implemented by a device that contains a heating furnace placed in it muffle, which is made of a material having a lower electrochemical potential than the metal potential of the product. When heated in air, the muffle and the part form a galvanic pair, which ensures non-oxidative heating. The muffle may be metal with an oxide outer layer or made of oxides. When heating metal products in a muffle in a furnace, very thin layers of oxides are first formed. With a further increase in temperature, the oxides are reduced. Each metal has its own temperature for the reduction of oxides. For steel 20, copper, nickel these. temperatures are, respectively, 520 ° С, 490 ° С, 630 ° С (Non-oxidative heating of metals in air. Bulletin of Kazan State Technical University named after AN Tupolev, 2010, No. 3, pp. 55-56, table 1, fig. 3). Small parts heat up quickly, at the output of the process they turn out bright unoxidized. For thicker parts, it takes longer to heat them up. The technical problem to be solved is improving the quality and productivity of the process of heat treatment of metal products in air in a muffle.
Решаемая техническая задача в устройстве для термообработки металлических изделий в воздушной среде в муфеле, содержащем устройство для нагрева, муфель для размещения обрабатываемого изделия достигается тем, что устройство для нагрева выполнено в виде высокочастотного индуктора, внутри которого расположен трубчатый керамический муфель, имеющий меньшую работу выхода электронов, чем у обрабатываемого изделия. На Рис. 1 представлен общий вид устройства для термообработки металлических изделий в воздушной среде в муфеле. Устройство содержит генератор токов высокой частоты 1; индуктор 2, представляющий собой медную трубку, например, спиралевидной формы, охлаждаемую проточной водой; трубчатый керамический муфель 3, расположенный внутри индуктора 2. Керамический муфель 3 с индуктором 2 установлены на основании 5. Устройство работает следующим образом. В муфель 3 помещается обрабатываемое изделие 4, включается высокочастотный генератор 1. Направленное электромагнитное поле возбуждает на поверхности детали 1 высокочастотные индукционные токи, вследствие чего поверхность изделия прогревается до нужной температуры. Нагрев керамического муфеля осуществляется, в первую очередь, контактным способом от нагреваемого изделия и частично от вихревых токов индуктора. Нагрев муфеля возрастает по мере изменения диэлектрических характеристик муфеля при нагреве. Внутренняя поверхность муфеля нагревается первой, и электрохимический процесс начинает работать до прогрева всего муфеля. Также возможно применение предварительно прогретого муфеля. При нагреве металлических изделий в керамических муфелях (алюмосиликатные, муллитовые, фарфоровые, керамика из оксидов циркония, оксидов бериллия, кварцевые и другие) при высоких температурах термообработки, последние переходят в класс полупроводников и проводников, что и обеспечивает переход электронов из материала муфеля в обрабатываемое изделие. Муфель с оксидами циркония имеет работу выхода электронов W(Zr)=3,7 эВ, у термообрабатываемого стального изделия имеем W(Fe)=4,4-4,71 эВ. Карбид циркония - W(ZrC)=2,2-3,8 эВ и нитрид циркония W(ZuN)=2,92 эВ также имеют меньшую работу выхода электронов, чем у железа. То же самое мы имеем для окиси кальция W(CaO)=1,8-2,4 эВ, нитрида титана W(TiN)=2,92 эВ, карбида титана W(TiC)=2,35 эВ, сульфида титана W(TiS)=3,4 эВ и других некоторых соединений, металлов и их окислов. Полупроводниковыми свойствами обладают силициды щелочных и щелочно-земельных металлов и материалов на основе карбида кремния, которые могут быть использованы при изготовлении муфелей для индукционного нагрева металлов. При этом важно, чтобы внутренняя поверхность муфеля отвечала вышеизложенному требованию. Между муфелем и нагреваемым металлом изделия, различающимся по значениям работ выхода электронов, при нагреве создается градиент потенциалов, т.е. образуется гальванический элемент в воздушной среде, что и обеспечивает безокислительный нагрев металлов. При контакте изделия со стенками муфеля при нагреве гальванический элемент работает более эффективно, а процесс восстановления окислов протекает при более низких температурах. После термообработки изделие охлаждают общепринятыми способами, водой или погружением в минеральное масло. Устройство также можно использовать для нормализации изделий. Так как трубчатый керамический муфель не обладает большой теплоемкостью по сравнению с нагревательными печами, то охлаждение обрабатываемого изделия можно производить на воздухе в муфеле. В сравнении с прототипом, время, например, закалки изделия индукционным нагревом в муфеле сокращается в несколько раз, при этом повышается качество обрабатываемой поверхности изделия.The technical problem to be solved in a device for heat treatment of metal products in air in a muffle containing a heating device, a muffle for placing the workpiece is achieved in that the heating device is made in the form of a high-frequency inductor, inside of which there is a tubular ceramic muffle having a lower electron work function than the workpiece. In Fig. 1 shows a General view of a device for heat treatment of metal products in air in a muffle. The device comprises a high frequency current generator 1; an inductor 2, which is a copper tube, for example, spiral-shaped, cooled by running water; a tubular ceramic muffle 3 located inside the inductor 2. A ceramic muffle 3 with an inductor 2 is installed on the base 5. The device operates as follows. The workpiece 4 is placed in the muffle 3, the high-frequency generator 1 is turned on. The directional electromagnetic field excites high-frequency induction currents on the surface of the part 1, as a result of which the surface of the product is heated to the desired temperature. The ceramic muffle is heated, first of all, by the contact method from the heated product and partly from the eddy currents of the inductor. The heating of the muffle increases as the dielectric characteristics of the muffle change upon heating. The inner surface of the muffle is heated first, and the electrochemical process begins to work until the entire muffle is heated. It is also possible to use a preheated muffle. When heating metal products in ceramic muffles (aluminosilicate, mullite, porcelain, ceramics from zirconium oxides, beryllium oxides, quartz and others) at high heat treatment temperatures, the latter go into the class of semiconductors and conductors, which ensures the transfer of electrons from the muffle material to the workpiece . A muffle with zirconium oxides has an electron work function of W (Zr) = 3.7 eV; for a heat-treating steel product, we have W (Fe) = 4.4–4.71 eV. Zirconium carbide - W (ZrC) = 2.2-3.8 eV and zirconium nitride W (ZuN) = 2.92 eV also have a lower electron work function than iron. We have the same for calcium oxide W (CaO) = 1.8-2.4 eV, titanium nitride W (TiN) = 2.92 eV, titanium carbide W (TiC) = 2.35 eV, titanium sulfide W ( TiS) = 3.4 eV and some other compounds, metals and their oxides. Siliconides of alkali and alkaline-earth metals and materials based on silicon carbide, which can be used in the manufacture of muffles for induction heating of metals, have semiconductor properties. It is important that the inner surface of the muffle meets the above requirement. Between the muffle and the heated metal of the product, which differs in the values of the electron work function, a potential gradient is created during heating, i.e. a galvanic cell is formed in the air, which ensures non-oxidative heating of metals. When the product contacts the walls of the muffle during heating, the galvanic cell works more efficiently, and the process of oxide reduction proceeds at lower temperatures. After heat treatment, the product is cooled by conventional methods, water or immersion in mineral oil. The device can also be used to normalize products. Since the tubular ceramic muffle does not have a large heat capacity in comparison with heating furnaces, the workpiece can be cooled in air in the muffle. In comparison with the prototype, the time, for example, quenching of the product by induction heating in the muffle is reduced several times, while the quality of the processed surface of the product is improved.
