1. Problemas de endurecimiento por inducción metalográfica.
(1) Aumento rápido del punto crítico de calentamiento
El calentamiento por inducción tiene una velocidad de calentamiento que oscila entre decenas y cientos de grados por segundo, y el enfriamiento por impulsos puede alcanzar miles de grados por segundo (2000-3000 ℃/s). Debido a la rápida velocidad de calentamiento y la corta duración, la temperatura de enfriamiento es más alta que la temperatura general de enfriamiento del baño de sal. Esto da como resultado la transformación de la estructura en austenita y homogeneización.
La Tabla 1 presenta datos relevantes que indican que el punto AC1 del acero T10 y del acero GCr15 aumenta con la velocidad de calentamiento durante el calentamiento rápido.
Tabla 1 Relación entre la velocidad de calentamiento por inducción y el punto crítico AC1
| Grado de acero | Velocidad de calentamiento / (℃ / s) | ||||||
| Estado original | 10 | 50 | 100 | 150 | 200 | 300 | |
| T10 | anillado | 745 | 760 | 765 | 760 | 765 | 765 |
| extinguir | 735 | 745 | 755 | 755 | 760 | 765 | |
| GCr15 | anillado | 770 | 810 | 825 | 830 | 835 | 830 |
| extinguir | 740 | 750 | 785 | 800 | 815 | 810 | |
Por la práctica, sabemos que la temperatura de enfriamiento del calentamiento por inducción es 80~150 ℃ más alta que la del enfriamiento convencional.
La Tabla 2 muestra la temperatura de calentamiento recomendada para el temple de alta frecuencia de acero común.
Tabla 2 Temperatura de calentamiento del acero común para enfriamiento de alta frecuencia
| Grado de acero | Temperatura de calentamiento/℃ |
| 45 | 860~920 |
| 50 | 860~900 |
| 40cr | 940~980 |
| T7, T7A | 880~960 |
| T8, T8A | 860~960 |
| Grado de acero | Temperatura de calentamiento/℃ |
| T10, T10A | 850~960 |
| GCr15 | 920~1020 |
| GCr9 | 900~1000 |
| CrWMn | 850~960 |
| 9SiCr | 880~1000 |
El calentamiento por inducción tiene una potencia significativamente mayor que el calentamiento en horno, lo que resulta en velocidades de calentamiento más rápidas y tiempos más cortos necesarios para promover la transformación de perlita en austenita.
La estructura original del acero tiene una influencia considerable en la nucleación, crecimiento y homogeneización de la austenita durante el calentamiento rápido, lo que a su vez afecta la temperatura de enfriamiento por inducción, así como la microestructura y las propiedades resultantes.
La Figura 1 ilustra la relación entre el punto crítico del acero T8, la velocidad de calentamiento y varias estructuras originales.
La perlita en copos es más susceptible a la transformación estructural durante el calentamiento que la perlita esférica.
Por lo tanto, la temperatura de templado por inducción del acero con diferentes estructuras originales debe ser la siguiente: t templado (estado de recocido) > t templado (estado de normalización) > t templado (temple y revenido (recocido + templado a alta temperatura)).
El significado físico de α0 en la figura es:
La perlita representa la mitad de la distancia entre dos cementitas adyacentes, mientras que la ferrita libre representa la mitad de la distancia entre nodos en la red de dislocaciones (ver Fig. 1).
A medida que aumenta la temperatura de calentamiento, el punto AC3 también aumenta rápidamente (ver Fig. 1).
La Figura 2 muestra la temperatura requerida para el enfriamiento completo del acero hipoeutectoide a diferentes velocidades de calentamiento.
Figura 2
(2) El calentamiento rápido puede hacer que el acero obtenga granos finos o ultrafinos.
A velocidades de calentamiento bajas, el grano de austenita inicial formado inmediatamente después de la austenitización disminuye significativamente al aumentar la velocidad de calentamiento. Sin embargo, a altas velocidades de calentamiento, el grano de austenita inicial apenas disminuye al aumentar la velocidad de calentamiento.
Los estudios han demostrado que en condiciones reales de calentamiento por inducción, la velocidad de calentamiento es muy alta y el grano inicial obtenido es muy pequeño. Se determinó que el tamaño de grano inicial no tiene nada que ver con la velocidad de calentamiento.
Sin embargo, el crecimiento de los granos de austenita formados está relacionado con la velocidad de calentamiento. A medida que el calentamiento continúa hasta una cierta temperatura, el tamaño real del grano de austenita formado aumenta al disminuir la velocidad de calentamiento, como se muestra en la figura.
Por lo tanto, siempre que la temperatura y el tiempo de calentamiento se controlen adecuadamente, el calentamiento por inducción no provocará sobrecalentamiento.
figura 3
2. Diversos fenómenos de calentamiento rápido del acero de alta velocidad.
(1) Calentamiento rápido de la hoja de acero de alta velocidad.
Ya en 1923-1924, Vologgin de la ex Unión Soviética comenzó a estudiar el enfriamiento por alta frecuencia de herramientas de acero de alta velocidad, pero no tuvo éxito.
La razón de esto fue que las herramientas de acero rápido deben templarse minuciosamente para obtener una capa endurecida con alta dureza y resistencia térmica, que puede ser relativamente gruesa.
También existía la preocupación de que una mala disolución de los carburos de enfriamiento de alta frecuencia pudiera afectar otras propiedades.
Sin embargo, esta fue una idea superficial y la extinción por inducción no se ha estudiado completamente.
No fue hasta 1952 que se logró un gran avance.
Gedeberge y otros finalmente lograron templar una hoja de 3-10 mm W18Cr4V (P18).
Desafortunadamente, no llegó a producirse industrialmente, pero demostró que las herramientas de acero de alta velocidad podían endurecerse por inducción.
(2) Calentamiento rápido de soldadura rápida de acero.
Las herramientas en forma de varilla, como las brocas de mango cónico de acero de alta velocidad y las fresas de extremo, se pueden calentar rápidamente utilizando técnicas como la soldadura instantánea o la soldadura por fricción y agitación. Estos métodos son capaces de calentar piezas de acero a temperaturas superiores a 1000 ℃ en tan solo unos segundos.
(3) Calentamiento rápido de piezas forjadas de acero de alta velocidad.
El autor recomienda calentar directamente la palanquilla de acero de alta velocidad de φ60 mm en la zona de alta temperatura. Esto significa que el material frío debe calentarse directamente en la zona de 1150-1200°C sin precalentamiento.
Este método se ha utilizado en la producción durante muchos años y la calidad de la forja se ha mantenido estable.
(4) Aplicación de la fórmula del parámetro de enfriamiento de herramientas de acero de alta velocidad.
Existe una fórmula de parámetro de enfriamiento en el tratamiento térmico de herramientas de acero de alta velocidad.
Eso es,
P = t (37 + lg τ）
Dónde
- P – parámetro de extinción;
- t — temperatura de calentamiento de extinción;
- τ—— Tiempo de calentamiento de extinción.
El símbolo P en la fórmula representa el impacto combinado de la temperatura de calentamiento de extinción y el tiempo de calentamiento.
Durante el proceso de enfriamiento, independientemente de las variaciones en la temperatura de calentamiento y el tiempo de calentamiento del enfriamiento, el grado de austenitización permanece igual siempre que los parámetros de enfriamiento sean idénticos.
Esto implica que la calidad del enfriamiento de la herramienta permanecerá constante si P permanece constante, ya sea que se logre mediante un calentamiento rápido a alta temperatura durante un período corto o un calentamiento lento a una temperatura baja durante un período más largo.
(5) Calentamiento rápido y calentamiento semirrápido en hornos para herramientas de acero de alta velocidad.
A finales de la década de 1950, se introdujeron en Beijing, Tianjin, Shanghai y otros lugares nuevas tecnologías para el calentamiento rápido y el tratamiento térmico con eficiencia energética, con la ayuda de expertos en tratamiento térmico de la Unión Soviética. La implementación de esta tecnología ha dado lugar a numerosos experimentos exitosos, pero desafortunadamente sólo queda una cantidad limitada de datos.
El autor solo tiene datos sobre el calentamiento rápido de un taladro con un vástago cónico de φ14 mm y una fresa ranurada de acero W18Cr4V de la fábrica de herramientas de Shanghai. Según los informes, la temperatura de calentamiento del acero W18Cr4V ha aumentado de 1270 a 1310 ℃, mientras que el coeficiente de calentamiento se ha reducido de 10 a 6 s/mm. Sorprendentemente, la vida útil de la herramienta aumentó ligeramente en lugar de disminuir.
(6) Modificación de la superficie de herramientas de corte de acero de alta velocidad y alta densidad de energía, como láser y haz de electrones.
En los últimos años, ha habido continuos informes sobre la modificación de la superficie del acero de alta velocidad mediante láser. Estos informes señalan que el acero rápido se puede calentar rápidamente utilizando este método.
El método técnico consiste en aplicar plasma de alta densidad de energía a la superficie del acero M42 a alta velocidad. Esto da como resultado un rápido aumento local de temperatura y un rápido enfriamiento en la superficie del material. El aumento de temperatura y la velocidad de enfriamiento pueden alcanzar 104-108 k°/s.
Como resultado, se puede formar una capa de modificación de la estructura cristalina en la superficie de la pieza, mejorando el rendimiento del material.
(7) El calentamiento rápido del acero rápido tiene una larga historia.
En el siglo pasado, desde la introducción del acero de alta velocidad, la innovación y la reforma de su proceso de tratamiento térmico han sido constantes.
Algunas personas de la antigua Unión Soviética afirmaban que el acero se podía calentar a cualquier velocidad. Sin embargo, debido a las condiciones limitadas de la época, esto sólo era posible mediante hornos de baño de sal y calentamiento de alta frecuencia. Además, las piezas templadas ya no se limitaban a simples varillas o piezas, sino que todavía carecían de universalidad.
Se han logrado resultados relativamente exitosos en la aplicación de calentamiento rápido de palanquillas forjadas de acero de alta velocidad. La mayoría de la gente cree que la velocidad de calentamiento del material de acero de alta velocidad después del procesamiento a presión y el recocido puede ser ilimitada antes de la forja.
Además, con la aparición de nuevas tecnologías y procesos como el láser y el haz de electrones, existen muchos informes sobre la modificación de la superficie del acero de alta velocidad mediante un calentamiento rápido. Esto sugiere que el calentamiento rápido del acero de alta velocidad ha entrado ahora en una etapa de aplicación sustancial.
3. Aplicación del enfriamiento por calentamiento por inducción en cuchillas mecánicas de acero de alta velocidad.
El acero rápido se conoce como “acero del viento” debido a su buena templabilidad, lo que permite templarlo al aire.
Puede endurecerse hasta una dureza superior a 64 HRC en el aire, lo que lo hace ideal para producir bordes afilados. Por este motivo, también se la conoce como “hoja de acero”.
El enfriamiento por calentamiento por inducción de acero rápido es una forma de enfriamiento automático que es energéticamente eficiente y respetuoso con el medio ambiente. También ofrece una alta eficiencia de producción.
Independientemente del tipo de acero a templar, hay dos condiciones básicas que deben cumplirse. En primer lugar, se debe austenizar y, en segundo lugar, se debe enfriar inmediatamente.
La velocidad de enfriamiento debe ser mayor que la velocidad de enfriamiento crítica del acero (V).
El calentamiento por inducción tiene la característica única de calentar la superficie de la pieza. Si el calentamiento se detiene inmediatamente después de austenitizar la capa superficial y el metal adyacente sin calentar puede conducir rápidamente el calor desde la capa calefactora, la superficie se endurecerá si su velocidad de enfriamiento es mayor que V.
El proceso de enfriamiento no implica rociar un líquido de enfriamiento sobre la superficie, sino que se basa en enfriar el metal interno. Este proceso de enfriamiento único sólo se puede lograr con calefacción de alta densidad de energía. El calentamiento por inducción es uno de los métodos que proporciona calentamiento de alta densidad de energía.
Debido a la densidad de potencia extremadamente alta y al corto tiempo de calentamiento, el calentamiento por inducción también se conoce como calentamiento por impulsos. La temperatura de la pieza durante el calentamiento por inducción se puede medir utilizando un pirómetro fotoeléctrico infrarrojo o un pirómetro óptico. Alternativamente, la temperatura de enfriamiento se puede determinar mediante inspección visual examinando el color de la pieza calentada.
Durante el proceso de calentamiento por inducción, el calor generado por la corriente parásita se utiliza principalmente para calentar la capa superficial de la pieza de trabajo. Sin embargo, existen dos tipos de calor liberado por la pieza durante este proceso.
Hay dos tipos de pérdida de calor durante el proceso de calentamiento: calor radiante, que se emite desde la superficie calefactora al aire, y calor por conducción, que se conduce desde la capa calefactora de la pieza hasta el centro.
El impacto de la conducción interna del calor, principalmente en la capa calefactora, profundiza la comprensión teórica del proceso. La profundidad de la capa calefactora se indica con d y es igual a 0,2 mm, donde t representa el tiempo de calentamiento en segundos. La pérdida de calor aumenta a medida que disminuye la densidad de potencia y se prolonga el tiempo de calentamiento.
Si la pieza es relativamente delgada, la conducción de calor se transmitirá rápidamente desde la superficie al núcleo, lo que dará como resultado un calentamiento uniforme de toda la sección.
El acero rápido es un material autoendurecible, lo que significa que se endurecerá inmediatamente después de detener el proceso de calentamiento.
