УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ В ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ В МУФЕЛЕ

Полезная модель относится к устройствам термической обработки металлических изделий, в частности для закалки.
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.
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.
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.
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.