Влияние пористости на параметры индукционного нагрева биметаллических порошковых изделий

Гасанов Бадрутдин Гасанович; Ефимов Артем Дмитриевич

УДК 621.762

ВЛИЯНИЕ ПОРИСТОСТИ НА ПАРАМЕТРЫ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ

Южно-Российский государственный South-Russian State Technical University

технический университет (Novocherkassk Polytechnic Institute)

(Новочеркасский политехнический институт)

Рассмотрены особенности индукционного нагрева пористых биметаллических изделий, основной слой которых выполнен из порошка железа марки ПЖВ3 - 160, а рабочий слой из смеси порошков железа и карбида хрома Cr7C3. Показано влияние пористости спеченных изделий на глубину проникновения тока 8гор, удельную мощность AAP и время нагрева t, от которых зависит режим нагрева.

Ключевые слова: индукционный нагрев, биметалл, пористость, глубина проникновения тока, удельная мощность, время нагрева.

Features of induction heating of porous bimetallie specimens was inverstigated; basie layer of spesiemens was created from Fe-powder marked as PFW3 - 160, working layer was created from Fe-powder and Cr7C3-powder blend. Influence of porosity of sintering specimens on current penetration depth 8war; specific power AP and heating time t was inverstigated. The activities which showing above dependson heating mode/

Keywords: induction heating, bimetalle, porosity, current penetration depth, specific power, heating time.

В последние годы перспективным направлением в металлургии является технология производства биметаллических изделий, основа которых выполнена из недорогих материалов, а поверхностный слой - легирован различными элементами, карбидами, боридами, нитридами и другими соединениями для повышения износо- и коррозионной стойкости, упрочнения рабочего слоя, снижения коэффициента трения и т.д.

При производстве биметаллических изделий с износостойким рабочим слоем и разработке технологических процессов производства из них изделий разной конфигурации и ориентации слоев важно получить оптимальное сочетание структуры и свойств материала основы, рабочего слоя и переходной зоны между ними. Использование индукционного нагрева при термической обработке позволяет успешно решить перечисленные задачи.

В данной работе представлены результаты исследования особенностей индукционного спекания пористых биметаллических изделий, основной слой которых выполнен из порошка железа марки ПЖВ3 -160, а рабочий слой - из смеси порошков железа и карбида хрома Сг7С3. Опытные образцы изготавливались в виде колец: наружный диаметр 70 мм, внутренний - 40 мм, толщина износостойкого слоя 3 мм. Для получения наружного слоя заданной толщины устанавливали в собранную пресс-форму цилиндрическую перегородку и заполняли обе части порошковой шихтой заданного состава. На начальном этапе производили статическое холодное прессование под давлением 450 МПа и спекание в камерной печи при температуре 1150-1180 °С в течение 2 ч в среде диссоциированного аммиака. На втором этапе осуществляли высокотемпературный нагрев наружного слоя с использованием индукционной установки ИНТ9-250/4.

Расчет режимов индукционного спекания сводится к нахождению оптимальных значений тока, удельной мощности, подводимой к поверхности образца, времени нагрева и других электрических параметров индуктора. Задача усложняется тем, что электрофизические свойства порошковых материалов могут быть неодинаковы по объему, вследствие неравноплотно-сти, наличия включений, а также при создании биметаллов, свойства которых изменяются послойно, поэтому при расчете приходится вводить ряд допущений, упрощающих задачу.

Необходимые расчеты удобно проводить для установившегося режима, считая, что температура активного слоя, толщина которого определяется различными методами [1], имеет постоянную величину, равную заданной температуре поверхности заготовки. Допускаем также, что энергия расходуется только на нагрев порошковой заготовки, а тепловые потери с поверхности не учитывали. При таких допущениях индукционная установка работает при усредненных параметрах системы индуктор - заготовка. Расчет производили для «горячего» режима, поэтому относительная магнитная проницаемость ц = 1. Предположим, что удельное электрическое сопротивление всех сплавов на железной основе не зависит от химического состава и определяется только значением пористости биметаллического образца.

Как известно, для индукционного спекания или поверхностной закалки нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) рекомендуют такую частоту, чтобы глубина нагреваемого слоя хк находилась в следующем соотношении с глубиной проникновения тока в изделие [1]:

хк = к^гор ,

где k = (0,16 -1,0)- коэффициент, учитывающий

значение частоты тока; 5гор - глубина проникновения

тока в металл, нагретый выше точки магнитных превращений.

Если учесть, что глубина проникновения (мм) связана с частотой формулой [1]

5гор = 50300J f ,

(1)

ßi = j

i (п,. п )(р, -р)

i_

7 1 '

i (П - п )2

(2)

i=1

8гор, мм

5,0 4,5

где р - удельное сопротивление «горячей» стали (Ом-см); f - частота тока (Гц), то для нагрева изделий на глубину в пределах 1,4 - 8,0 мм при хк = 3 мм рекомендована частота f = 4000 Гц [2].

Как было установлено в работе [3], при изменении пористости образцов из порошка железа марки ПЖ2М3 от 0 до 30 % удельное сопротивление линейно возрастает от 1,6-10-5 до 4• 10-5 Ом-см. Используя метод наименьших квадратов, установим математическую зависимость р от пористости П. Данный случай является простой линейной регрессией, и в качестве приближения искомой функции регрессии выбрана функция: р(П) = Р0 +р1П[4], где Р0 и Р1 -неизвестные параметры модели, характеризующие зависимость удельного электросопротивления от пористости спеченных образцов.

Используя методику расчета коэффициентов Р0 и

Р1, предложенную в [4], получаем: Р0 = р-р1П,

4,0 3,5

3,0

0

5

10

15

20 25

30 П,%

Рис. 1. Зависимость глубины проникновения тока в пористый биметаллический образец при индукционном спекании

Характер зависимости удельной мощности (кВт/см2) и длительности нагрева (с) от толщины прогрева до необходимой температуры при спекании или закалке изделий из компактных материалов можно определить по формулам, предложенным в работе [1]:

АР = -

А

("'

'=с (* -fr

(4)

Если глубину слоя ху выражать в мм, удельную мощность АР в кВт/см2, время t в с, то при f = 4000 Гц для стали А = 2; В = 100 и С = 1,5 [1].

Учитывая, что для компактного железа при частоте тока f = 4000 Гц У = = 0,96, и подставляя

8гор

выражение (3) в формулы (4), имеем:

По формулам (2) вычисляем значения коэффици-54 5

ентов Р0, Р1 : Р1 = 0,078, Р0 = 2,7-0,078-15 « « 1,532.

Тогда уравнение зависимости удельного электросопротивления от пористости выражается как р( П) = 1,532 + 0,078П, и формула (1) примет вид:

АР = -

2

(0 96я Ю0 )

(0'965гор

2

(763,5Д

532 + 0,078П -1,58)

5гор = 50300

1,532 + 0,078П

f

(3)

Таким образом, согласно выражению (3), получаем, что глубина проникновения тока частотой f = 4000 Гц в спеченных образцах увеличивается от 3,49 до 4,69 мм при повышении исходной пористости с 5 до 25 % (рис. 1).

На толщину прогреваемого слоя порошковых изделий при спекании влияет не только глубина проникновения тока, но и удельная мощность ( АР ), время выдержки (t), природа межчастичных границ и т.д. Поэтому одна и та же глубина нагрева на второй стадии спекания хк может быть получена при различных удельных мощностях (АР) и длительностях нагрева (/).

'=15<°,%8™р-ж)! =

= 1,5

(763,5^/1

532 + 0,078П -1,58

)2

Рассчитанные по формулам значения АР и t приведены на рис. 2, из которого видно, что с увеличением пористости прессовок от 5 до 30 % удельная мощность, подводимая к поверхности нагреваемого изделия, снижается от 1,13 до 0,63 кВт/см2, а длительность нагрева возрастает от 4,7 до 15,1 с. Такой характер изменения АР и t обусловлен увеличением глубины проникновения тока с возрастанием пористости образцов и их электросопротивления.

АР, кВт/см2

а

t , с

б

Рис. 2. Зависимость удельной мощности (а) и времени нагрева (б) от пористости спеченных биметаллических колец

Поступила в редакцию

Из представленных расчетов видно, что режим индукционного спекания биметаллических порошковых изделий, даже при установившемся режиме, существенно отличается от режима спекания компактных материалов. В связи с повышенным удельным электросопротивлением пористых материалов глубина проникновения тока у них значительно выше, чем у компактных, а следовательно, при нагреве необходимо учитывать скорректированные значения удельной мощности (АР) и времени выдержки (t).

Литература

1. Головин Г.Ф., Замятин М.М. Высокочастотная термическая обработка. Л.., 1990.

2. Бабат Г.И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение. М.; Л., 1965.

3. Лапеев С.М. Структурообразование и формирование

физико-механических свойств порошковых материалов при использовании нагрева ТВЧ: Дис. ...канд. техн. наук. Новочеркасск, 1986.

4. Зарубин В.С. Математическая статистика. М., 2000.

17 июля 2008 г.

Гасанов Бадрутдин Гасанович - докт. техн. наук, зав кафедрой АТиОДД Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Ефимов Артем Дмитриевич - аспирант Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Текст научной работы на тему «Влияние пористости на параметры индукционного нагрева биметаллических порошковых изделий»