Как своими руками собрать индукционную печь для плавки металла в домашних условиях

Индукционный нагреватель незаменимая вещь для кузнецов, токарей, слесарей и домашних мастеров. С его помощью всегда легко и быстро  можно нагреть и даже расплавить металл, вам не нужны дорогие теплоносители, такие, как уголь и газ, достаточно подключить к прибору электричество. Происходит бесконтактный нагрев металла токами высокой частоты, по научному волнами радиочастотного диапазона. Прибор широко применяют для термообработки, закалки и гибки деталей, бесконтактной плавки, пайки и сварки, металлов. В ювелирном деле для термической обработки мелких деталей. В медицине для дезинфекции медицинского инструмента. В автосервисе слесаря нагревают заржавевшие гайки. Так же индуктор устанавливают в индукционных котлах, применяемых для отапливания жилых помещений.

На этом рисунке изображена рабочая схема индукционного нагревателя, который вы легко можете сделать своими руками.

Скачать схему индукционного нагревателя

Устройство состоит из задающего генератора высокой частоты собранного на двух мощных полевых транзисторах. Рабочее напряжение генератора зависит от мощности установленных полевых транзисторов. С транзисторами IRFP250 устройство можно питать напряжением от 12 до 30 вольт. А если установить транзисторы IRFP260, тогда напряжение питания можно поднять от 12 до 60 вольт.

Мощность индуктора заметно возрастет, температура нагрева металла поднимется более 1000 градусов, что позволит плавить металлы. В процессе работы транзисторы будут очень сильно нагреваться, поэтому их надо установить на большие радиаторы и поставить мощный вентилятор. На холостом ходу индуктор потребляет не менее 10А, а в рабочем состоянии не менее 15А, соответственно требуется очень мощный блок питания минимум на 20А.

На этом рисунке изображена печатная плата индукционного нагревателя.

Скачать печатную плату индукционного нагревателя в формате lay

Так же вам понадобятся резисторы R1, R2 на 10К мощностью 0.25 Ватт. Резисторы R3, R4 с сопротивлением 470 Ом не менее 2 Ватт. Диоды D1, D2 ультрабыстрые UF4007 или другие аналогичные на максимальный ток до 1А. Стабилитроны VD1, VD2 мощностью не менее 5 Ватт с напряжением стабилизации 12В например 1N5349 и другие. Дроссели L1, L2  размером 27х14х11 мм желтого цвета с белой полосой я вытащил из компьютерных блоков питания. На каждый дроссель надо намотать 25 витков медного провода диаметром 1 мм желательно в лаковой изоляции, если не найдете, подойдет одножильный провод в полихлорвиниловой изоляции на скорость сильно не влияет.

Конденсаторы С1-С16 металлоплёночные 0.33 мкФ 630В, соединяются параллельно рядами 4х4, в блоке всего шестнадцать штук. С меньшим рабочим напряжением лучше не ставить, будут сильно греться. Между конденсаторами оставляйте небольшое расстояние для хорошего охлаждения потоком воздуха.

Дроссели решил приклеить силиконовым герметиком, чтобы не болтались.

Важную деталь нагревателя, индуктор я сделал из медной трубки диаметром 6 мм длинною 1 метр. Купить такую можно в любом автомагазине типа «Газовщик» и там где торгуют газо-балонным оборудованием для автомобилей. Медную трубку наматываем на кусок полипропиленовой трубы внешним диаметром 40 мм, такая труба используется в пластиковом отоплении. Делаем пять витков, расстояние между верхним краем первого витка и нижним краем пятого витка должно быть 40 мм. Концы трубы изгибаем, как на рисунке и прикрепляем к радиаторам с помощью двух клемных колодок для провода сечением 16 мм².

В процессе работы индуктор будет сильно нагреваться от раскаленной детали, что может привести к повреждению медной трубки, поэтому надо сделать охлаждение. На концы медной трубки я одел силиконовые трубки и подключил насос омывателя лобового стекла автомобиля. Насос от ВАЗ 2114 и силиконовые трубки купил в автомагазине. Получилась нормальная водяная система охлаждения.

Чтобы охлаждать радиаторы и блок конденсаторов поставил мощный вентилятор от процессора. Для питания от 12 вольт такого охлаждения вполне достаточно. Если захотите поднять напряжение от 12 до 60 вольт, чтобы получить максимальную мощность от индукционного нагревателя, поставьте более мощные радиаторы и более производительный вентилятор, например от отопителя салона ВАЗ 2107. Желательно сделать металлическую шторку оберегающую нагреваемую деталь и медный индуктор от потока нагнетаемого вентилятором холодного воздуха.

Поскольку индукционный нагреватель потребляет большой ток около 20А, все дорожки на печатной плате следует усилить медной проволокой, напаянной сверху.

А теперь самое интересное… Испытания индукционного нагревателя я проводил от двенадцати вольтового автомобильного аккумулятора. Другого источника питания способного выдавать большие токи у меня просто нет. Лезвие от канцелярского ножа нагрелось до красна за 10 секунд. А это хороший результат, если учесть, что индуктор запитан всего от двенадцати вольт!

Друзья! Если хотите собрать индукционный нагреватель своими руками. Мой вам совет… Сразу ставьте полевые транзисторы IRFP260, большие радиаторы и мощный вентилятор от отопителя салона ВАЗ 2107, для питания индуктора обязательно используйте мощный источник питания лучше всего начиная от 24В до 60В с силой тока минимум на 20А.

Радиодетали для сборки индукционного нагревателя

• Транзисторы Т1, Т2 IRFP250 лучше IRFP260 2 шт.
• Резисторы R1, R2 10K 0.25W 2 шт. R3, R4 470R 2W 2 шт.
• Диоды D1, D2 ультрабыстрые UF4007 2 шт. или аналогичные
• Стабилитроны VD1, VD2 на 12V 1W 1N5349 или аналогичные 2 шт.
• Конденсаторы C1-C16 0.33mf 630V 16 шт.
• Дроссели от компьютерного БП желтые с белой полосой, размер 27х14х11 мм 2 шт.
• Колодка клемная для провода сечением 16 мм² 2 шт.
• Провод медный в лаковой изоляции d=1 мм длина 2 метра
• Трубка медная d=6 мм, длина 1 метр
• Радиатор чем больше, тем лучше 2 шт.
• Насос омывателя лобового стекла от ВАЗ 2114 1 шт.
• Трубка силиконовая 2 метра
• Вентилятор чем мощнее, тем лучше. Рекомендую от отопителя салона ВАЗ 2107 1 шт.

Друзья, желаю вам удачи и хорошего настроения! До встречи в новых статьях!

Рекомендую посмотреть видеоролик о том, как сделать индукционный нагреватель своими руками

Содержание

После изготовления металлических деталей, на производстве проводят дополнительную обработку чтобы улучшить характеристики материала. ТВЧ — это закалка стали, которая проводится с помощью воздействия токов высокой частоты. Применяется на производстве.

Что такое ТВЧ-закалка?

ТВЧ закалка — поверхностное термическое воздействие на сталь, которое проводится при подаче тока высокой частоты. После проведения технологического процесса показатели прочности, твердости увеличиваются, что повышает эксплуатационные характеристики изделия. Технологический процесс состоит из нескольких этапов:

• нагрев до высокой температуры;
• выдержка в одном температурном режиме;
• охлаждение.

Глубина закалки ТВЧ зависит от длительности каждого из этапов.

При разогреве стали токами высокой частоты важно правильно выполнить охлаждение. Для этого заготовку погружают в ёмкость с охлаждающей жидкостью или на обработанную поверхность разбрызгивается масло, вода, эмульсия.

С помощью оборудования, на котором проводится процесс закалки сталей, можно выполнить ТВЧ-пайку. Для этого на рабочую поверхность подаётся ток ещё большей частоты.

Сферы применения

Термическое воздействие необходимо для того чтобы улучшить характеристики изделия. ТВЧ подвергаются следующие детали:

• зубья;
• шестерни;
• шкивы;
• валы;
• оси;
• крановые колеса.

Нагрев токами высокой частоты применяется к изделиям из углеродистой стали. Если в них содержится не более 0,5% углерода, после обработки они приобретут высокие показатели прочности, твердости. Если процент углерода ниже, достигнуть необходимых характеристик не получится.

Достоинства и недостатки

Любой метод обработки металлов обладает сильными и слабыми сторонами. Преимущества:

1. У изделий, прошедших закалку токами высокой частоты остаётся мягкая середина. Это делает их устойчивее к пластической деформации.
2. Глубину закалки можно отрегулировать.
3. Металлическая поверхность непродолжительное время подвергается нагреву. Благодаря этому не происходит процессов окисления.
4. Возможность обрабатывать изделия различной формы, размера.
5. На поверхности заготовок не образуется нагар.
6. Минимальное изменение габаритов после проведения технологического процесса. Это позволяет использовать незначительный припуск на готовую деталь.

Недостатки:

1. Для работы в мастерской или гараже приобретать оборудование невыгодно, поскольку оно дорого стоит.
2. Индукционную установку невозможно создать своими руками.

Станки применяются при серийном производстве износоустойчивых деталей.

Как выбирается температура

Чтобы провести качественную закалку стальной заготовки, нужно выбрать температурный режим обработки, который зависит от вида обрабатываемого материала:

1. Доэвтектоидные стали — содержат менее 0.8% углерода. Во время обработки их разогревают до температуры 850 градусов. После нагрева детали быстро охлаждают. Её погружают в ванную с охлаждающей жидкостью.
2. Заэвтектоидные стали — содержат более 0.8% углерода. Разогреваются до температуры 800 градусов. Таким образом происходит неполная закалка.

Особенности индукционного воздействия на металлические поверхности не позволяют обрабатывать стали, процентное содержание углерода в которых не превышает 0.5%. Для завершения технологического процесса нужно устранить возникшее напряжение между сердцевиной и поверхностью изделия. Чтобы сделать это, проводится низкотемпературный отпуск. Заготовка помещается в печь, разогретую до температуры 200 градусов по Цельсию. Когда температура упадёт, изделию дают остыть при комнатной температуре.

Охлаждение детали

Охлаждение — заключительный этап. Важные условия — скорость, равномерность. При охлаждении применяется два метода:

1. Деталь помещают в бак с охлаждающей жидкость.
2. Поверхность заготовки покрывается слоем охлаждающей жидкости с помощью спреера.

Индуктор, используемый для работы с металлическими изделиями, оборудуется дополнительной системой охлаждения. Она представляет собой медные трубки, по которым циркулирует вода. Охлаждение происходит благодаря отверстиям, прорезанных в трубках, из которых вода попадает на рабочую поверхность.

Индукционная установка

Чтобы провести разогрев токами высокой частоты, нужно использовать индукционное оборудование. Оно состоит из высокочастотного генератора, индуктора. Заготовку устанавливают внутри индуктора или рядом с ним. Он представляет собой катушку, на которой закрепляется медная трубка. Габариты, форма индуктора может изменяться в зависимости от размера обрабатываемой детали.

После включения оборудования индуктор генерируют магнитное поле, которое проходит через изделие. Вихревые токи, образующиеся во время обработки, разогревают поверхностные слои стали. Чтобы увеличить глубину проработки детали, нужно повысить частоту тока.

Бывает несколько типов конструкции индуктора:

1. Валы, отверстия, колеса закаливаются с помощью многовитковых установок.
2. Рабочую часть инструментов обрабатывают с помощью петлевых аппаратов.
3. Если деталь сложной формы, применяется фасонная установка.

Помимо конструкции используемого оборудования, изменяют режимы проведения работ:

1. Одновременная. Нагреву подвергается выбранная зона заготовки. После разогрева деталь равномерно охлаждается.
2. Непрерывно-последовательная. Зоны, которые требуется подвергнуть обработке, нагреваются последовательно. Для этого заготовка или индуктор смещается. Когда одна зона была разогрета и рабочий сместил индуктор, она начинает охлаждаться.

При обработке нужно удерживать одно расстояние между индуктором, рабочей поверхностью на всем рабочем промежутке. Важно не допускать соприкосновения оборудования и заготовки. Это приведёт к нарушению структуры материала.

Одновременный разогрев изделий подразумевает использование большой мощности. Это повышает затраты электроэнергии. Из-за этого при обработки крупногабаритных заготовок применяют режим непрерывно-последовательной закалки.

ТВЧ — технология, направленная на изменение характеристик металлической заготовки. Разогревание изделия высокочастотными токами увеличивает показатели твердости, прочности. Важно равномерно провести разогрев, охлаждение. ТВЧ актуально использовать при многосерийном производстве.

Индукционный нагрев ТВЧ. Закалка шестерниГлавная > Справочник > Материаловедение > Поверхностная закалка ТВЧ

Закалка сталей токами высокой частоты (ТВЧ) — это один из распространенных методов поверхностной термической обработки, который позволяет повысить твердость поверхности заготовок. Применяется для деталей из углеродистых и конструкционных сталей или чугуна. Индукционная закалка ТВЧ являет собой один из самых экономичных и технологичных способов упрочнения. Она дает возможность закалить всю поверхность детали или отдельные ее элементы или зоны, которые испытывают основную нагрузку.

При этом под закаленной твердой наружной поверхностью заготовки остаются незакаленные вязкие слои металла. Такая структура уменьшает хрупкость, повышает стойкость и надежность всего изделия, а также снижает энергозатраты на нагрев всей детали.

Поверхностная закалка ТВЧ — это процесс термообработки для повышения прочностных характеристик и твердости заготовки.

Основные этапы поверхностной закалки ТВЧ — индукционный нагрев до высокой температуры, выдержка при ней, затем быстрое охлаждение. Нагревание при закалке ТВЧ производят с помощью специальной индукционной установки. Охлаждение осуществляют в ванне с охлаждающей жидкостью (водой, маслом или эмульсией) либо разбрызгиванием ее на деталь из специальных душирующих установок.

Для правильного прохождения процесса закалки очень важен правильный подбор температуры, которая зависит от используемого материала.

Стали по содержанию углерода подразделяются на доэвтектоидные — меньше 0,8% и заэвтектоидные — больше 0,8%. Сталь с углеродом меньше 0,4% не закаливают из-за получаемой низкой твердости. Доэвтектоидные стали нагревают немного выше температуры фазового превращения перлита и феррита в аустенит. Это происходит в интервале 800—850°С. Затем заготовку быстро охлаждают. При резком остывании аустенит превращается в мартенсит, который обладает высокой твердостью и прочностью. Малое время выдержки позволяет получить мелкозернистый аустенит и мелкоигольчатый мартенсит, зерна не успевают вырасти и остаются маленькими. Такая структура стали обладает высокой твердостью и одновременно низкой хрупкостью.

Микроструктура стали

Заэвтектоидные стали нагревают чуть ниже, чем доэвтектоидные, до температуры 750—800°С, то есть производят неполную закалку. Это связано с тем, что при нагреве до этой температуры кроме образования аустенита в расплаве металла остается нерастворенным небольшое количество цементита, обладающего твердостью высшей, чем у мартенсита. После резкого охлаждения аустенит превращается в мартенсит, а цементит остается в виде мелких включений. Также в этой зоне не успевший полностью раствориться углерод образует твердые карбиды.

В переходной зоне при закалке ТВЧ температура близка к переходной, образуется аустенит с остатками феррита. Но, так как переходная зона не остывает так быстро, как поверхность, а остывает медленно, как при нормализации. При этом в этой зоне происходит улучшение структуры, она становится мелкозернистой и равномерной.

Перегревание поверхности заготовки способствует росту кристаллов аустенита, что губительно сказывается на хрупкости. Недогрев не дает полностью феррито-перритной структуре перейти в аустенит, и могут образоваться незакаленные пятна.

После охлаждения на поверхности металла остаются высокие сжимающие напряжения, которые повышают эксплуатационные свойства детали. Внутренние напряжения между поверхностным слоем и серединой необходимо устранить. Это делается с помощью низкотемпературного отпуска — выдержкой при температуре около 200°С в печи. Чтобы избежать появления на поверхности микротрещин, нужно свести к минимуму время между закалкой и отпуском.

Также можно проводить так называемый самоотпуск — охлаждать деталь не полностью, а до температуры 200°С, при этом в ее сердцевине будет оставаться тепло. Дальше деталь должна остывать медленно. Так произойдет выравнивание внутренних напряжений.

Индукционная установка для термообработки ТВЧ представляет собой высокочастотный генератор и индуктор для закалки ТВЧ. Закаливаемая деталь может располагаться в индукторе или возле него. Индуктор изготовлен в виде катушки, на ней навита медная трубка. Он может иметь любую форму в зависимости от формы и размеров детали. При прохождении переменного тока через индуктор в нем появляется переменное электромагнитное поле, проходящее через деталь. Это электромагнитное поле вызывает возникновение в заготовке вихревых токов, известных как токи Фуко. Такие вихревые токи, проходя в слоях металла, нагревают его до высокой температуры.

Индукционный нагреватель ТВЧ

Отличительной чертой индукционного нагрева с помощью ТВЧ является прохождение вихревых токов на поверхности нагреваемой детали. Так нагревается только наружный слой металла, причем, чем выше частота тока, тем меньше глубина прогрева, и, соответственно, глубина закалки ТВЧ. Это дает возможность закалить только поверхность заготовки, оставив внутренний слой мягким и вязким во избежание излишней хрупкости. Причем можно регулировать глубину закаленного слоя, изменяя параметры тока.

Повышенная частота тока позволяет сконцентрировать большое количество тепла в малой зоне, что повышает скорость нагревания до нескольких сотен градусов в секунду. Такая высокая скорость нагрева передвигает фазовый переход в зону более высокой температуры. При этом твердость возрастает на 2—4 единицы, до 58—62 HRC, чего невозможно добиться при объемной закалке.

Для правильного протекания процесса закалки ТВЧ необходимо следить за тем, чтобы сохранялся одинаковый просвет между индуктором и заготовкой на всей поверхности закаливания, необходимо исключить взаимные прикосновения. Это обеспечивается при возможности вращением заготовки в центрах, что позволяет обеспечить равномерное нагревание, и, как следствие, одинаковую структуру и твердость поверхности закаленной заготовки.

Индуктор для закалки ТВЧ имеет несколько вариантов исполнения:

• одно- или многовитковой кольцевой — для нагрева наружной или внутренней поверхности деталей в форме тел вращения — валов, колес или отверстий в них;
• петлевой — для нагрева рабочей плоскости изделия, например, поверхности станины или рабочей кромки инструмента;
• фасонный — для нагрева деталей сложной или неправильной формы, например, зубьев зубчатых колес.

В зависимости от формы, размеров и глубины слоя закаливания используют такие режимы закалки ТВЧ:

• одновременная — нагревается сразу вся поверхность заготовки или определенная зона, затем также одновременно охлаждается;
• непрерывно-последовательная — нагревается одна зона детали, затем при смещении индуктора или детали нагревается другая зона, в то время как предыдущая охлаждается.

Одновременный нагрев ТВЧ всей поверхности требует больших затрат мощности, поэтому его выгоднее использовать для закалки мелких деталей — валки, втулки, пальцы, а также элементов детали — отверстий, шеек и т.д. После нагревания деталь полностью опускают в бак с охлаждающей жидкостью или поливают струей воды.

Непрерывно-последовательная закалка ТВЧ позволяет закалять крупногабаритные детали, например, венцы зубчатых колес, так как при этом процессе происходит нагрев малой зоны детали, для чего нужна меньшая мощность генератора ТВЧ.

Охлаждение — второй важный этап процесса закалки, от его скорости и равномерности зависит качество и твердость всей поверхности. Охлаждение происходит в баках с охлаждающей жидкостью или разбрызгиванием. Для качественной закалки необходимо поддерживать стабильную температуру охлаждающей жидкости, не допускать ее перегрева. Отверстия в спрейере должны быть одинакового диаметра и расположены равномерно, так достигается одинаковая структура металла на поверхности.

Чтобы индуктор не перегревался в процессе работы, по медной трубке постоянно циркулирует вода. Некоторые индукторы выполняются совмещенными с системой охлаждения заготовки. В трубке индуктора прорезаны отверстия, через которые холодная вода попадает на горячую деталь и остужает ее.

Закалка токами высокой частоты

Закалка деталей с помощью ТВЧ обладает как достоинствами, так и недостатками. К достоинствам можно отнести следующее:

• После закалки ТВЧ у детали сохраняется мягкой середина, что существенно повышает ее сопротивление пластической деформации.
• Экономичность процесса закалки деталей ТВЧ связана с тем, что нагревается только поверхность или зона, которую необходимо закалить, а не вся деталь.
• При серийном производстве деталей необходимо настроить процесс и далее он будет автоматически повторяться, обеспечивая необходимое качество закалки.
• Возможность точно рассчитать и регулировать глубину закаленного слоя.
• Непрерывно-последовательный метод закалки позволяет использовать оборудование малой мощности.
• Малое время нагрева и выдержки при высокой температуре способствует отсутствию окисления обезуглероживания верхнего слоя и образования окалины на поверхности детали.
• Быстрый нагрев и охлаждение не дают большого коробления и поводок, что позволяет уменьшить припуск на чистовую обработку.

Но индукционные установки экономически целесообразно применять только при серийном производстве, а для единичного производства покупка или изготовление индуктора невыгодно. Для некоторых деталей сложной формы производство индукционной установки очень сложно или невозможно получить равномерность закаленного слоя. В таких случаях применяют другие виды поверхностных закалок, например, газопламенную или объемную закалку.

Метки: Термообработка

Используемые источники:

• https://sdelaitak24.ru/%d0%b8%d0%bd%d0%b4%d1%83%d0%ba%d1%86%d0%b8%d0%be%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9-%d0%bd%d0%b0%d0%b3%d1%80%d0%b5%d0%b2%d0%b0%d1%82%d0%b5%d0%bb%d1%8c-%d1%81%d0%b2%d0%be%d0%b8%d0%bc%d0%b8-%d1%80%d1%83%d0%ba/
• https://metalloy.ru/obrabotka/termo/tvch
• https://stankiexpert.ru/spravochnik/materialovedenie/zakalka-tvch.html