Поверхностная закалка при нагреве токами высокой частоты

Наиболее прогрессивным методом нагрева изделий для поверхностной закалки является нагрев токами высокой (или повышенной) частоты, или, как его еще часто называют, индукционный нагрев. Этот способ был разработан В. П. Вологдиным и в настоящее время широко применяется. Необходимо отметить, что общепринятые термины «высокочастотная закалка», «поверхностная закалка токами высокой частоты» не совсем правильно отражают сущность протекающих явлений. Следует иметь в виду, что непосредственно в процессе закалки токи высокой частоты не используются, - они применяются лишь для нагрева поверхности изделия до закалочных температур.

Токи высокой частоты - это переменные токи, имеющие частоту более 20000 периодов в секунду. Токами повышенной частоты называют переменные токи с частотой от 50 до 20000 периодов в секунду. Обычный промышленный ток имеет частоту 50 периодов в секунду, т. е. он меняет свое направление 100 раз в одну секунду.

Применение токов высокой частоты для нагрева при поверхностной закалке основано на явлении, которое называется поверхностным эффектом. Это явление состоит в следующем. При прохождении через проводник постоянный ток равномерно распределяется по всему сечению проводника, т. е. плотность тока по всему сечению проводника одинакова. В отличие от этого, переменный ток, проходя через проводник сравнительно большого диаметра, распределяется неодинаково по его сечению. Ток протекает преимущественно в поверхностном слое проводника. При достаточно высоких частотах в центре проводника ток практически нет. Это явление называется поверхностным эффектом. Схема распределения постоянного и переменного токов различной частоты в проводнике. Степень проявления поверхностного эффекта характеризуется глубиной проникновения тока, что определяет и глубину слоя проводника, в котором выделяется тепло, а следовательно и глубину закалки. Наибольшая экономичность процесса достигается тогда, когда глубина проникновения тока немного больше требуемой глубины закалки.

На глубину проникновения тока большое влияние оказывает его частота. Чем больше частота тока, тем меньше глубина проникновения его в проводник и, следовательно, тем меньше глубина закалки. Распределение тока по сечению проводника зависит также от природы и свойств проводника. Процесс нагрева токами высокой частоты осуществляется практически следующим образом. Изделие, подлежащее нагреву, помещают внутри спирали, изготовленной из медной трубки. Эта спираль называется индуктором. Через индуктор пропускают ток высокой частоты большой силы (в несколько сот или тысяч ампер). Этот ток создает вокруг изделия мощное переменное магнитное поле. Так как это поле переменное, то изделие будет перемагничиваться много раз в секунду. В результате в нагреваемом изделии возникнут короткозамкнутые токи, которые называют вихревыми токами.